оптоэлектронный материал, устройство для его использования и способ изготовления оптоэлектронного материала

Формула изобретения

1. Оптоэлектронный материал, содержащий однородную среду с управляемой электрической характеристикой, и полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в упомянутой среде, отличающийся тем, что упомянутые сверхмелкозернистые частицы имеют средний размер частиц 100 нм или менее, а упомянутая среда имеет специфическое сопротивление приблизительно такое же или больше, чем у полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц.

2. Оптоэлектронный материал по п.1, отличающийся тем, что расстояние между полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами, диспергироваными в среде, равно или больше радиуса полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц.

3. Оптоэлектронный материал по п.1, отличающийся тем, что упаковочный множитель полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц в упомянутой среде равен или меньше 30%.

4. Оптоэлектронный материал по п.1, отличающийся тем, что стандартная энтальпия образования среды ниже, чем у окиси элемента, образующего полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в среде.

5. Оптоэлектронный материал по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в упомянутой среде, покрывают окисью элемента, образующего полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы.

6. Оптоэлектронный материал по п.5, отличающийся тем, что стандартная энтальпия образования упомянутой среды выше, чем у окиси полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц, диспергированных в упомянутой среде.

7. Оптоэлектронный материал, содержащий слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающийся тем, что он содержит слои прозрачного материала, причем слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами и слои прозрачного материала поочередно расположены один на другом.

8. Оптоэлектронный материал, содержащий слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающийся тем, что он содержит слой с высоким отражением, выполненный на одной поверхности слоя с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, и слой с частичным отражением, выполненный на другой поверхности слоя с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами.

9. Оптоэлектронный материал по п.8, отличающийся тем, что по меньшей мере один из слоя с частичным отражением и слоя с высоким отражением, является многослойной пленкой, которая имеет два вида слоев с различными коэффициентами преломления, которые поочередно расположены один на другом.

10. Оптоэлектронный материал по п.9, отличающийся тем, что слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами включает многослойную пленку.

11. Светоизлучающее устройство, содержащее слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, отличающeeся тем, что при подаче напряжения на пару электродов происходит инжекция носителей в полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, и в результате излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар, вызванной инжекцией носителей, возникает излучение света, при этом среда имеет специфическое сопротивление такое же или больше, чем у полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц.

12. Светоизлучающее устройство по п.11, отличающееся тем, что энергия световых фотонов является управляемой.

13. Светоизлучающее устройство, содержащее слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающееся тем, что оно содержит первый электрод, выполненный на одной основной поверхности полупроводниковой подложки, слой изолятора, выполненный на другой основной поверхности упомянутой полупроводниковой подложки и имеющий отверстие для частичного облучения полупроводника, и второй электрод, выполненный на слое с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, при этом слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами находится в контакте с полупроводниковой подложкой через упомянутое отверстие.

14. Светоизлучающее устройство по п.13, отличающееся тем, что при подаче напряжения на первый и второй электроды происходит инжекция носителей в полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, и в результате излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар за счет инжекции носителей возникает излучение света, причем интенсивность излучения увеличивается значительно быстрее по сравнению с пропорциональной зависимостью для тока инжекции.

15. Монохромное устройство отображения, содержащее светоизлучающие элементы, каждый из которых имеет слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, имеющий полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающееся тем, что оно содержит пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем светоизлучающие элементы входят в состав однородно и регулярно размещенных единичных пикселей, при этом интенсивность излучения каждого из упомянутых единичных пикселей регулируется посредством изменения тока возбуждения для светоизлучающих элементов единичного пикселя.

16. Цветное устройство отображения, содержащее светоизлучающие элементы, каждый из которых имеет слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, имеющий полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающееся тем, что оно содержит пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем светоизлучающие элементы входят в состав однородно и регулярно размещенных единичных пикселей, при этом единичный пиксель содержит множество светоизлучающих элементов, предназначенных для излучения света специфического цвета благодаря среднему размеру частицы или поверхностному атомному расположению сверхмелкозернистых частиц светоизлучающих элементов, причем интенсивность излучения и цвет каждого из единичных пикселей регулируется посредством изменения тока возбуждения светоизлучающих элементов единичного пикселя.

17. Портативное устройство отображения, имеющее устройство отображения по п.16.

18. Устройство отображения, надеваемое на голову, содержащее устройство отображения по п.16, элемент крепления для крепления упомянутого устройства отображения к голове человека, на которую надевается элемент устройства отображения, оптическую систему для получения информации, отображаемой на устройстве отображения для правого и левого глаз человека.

19. Электронный словарь для отображения информации с помощью устройства отображения по п.16.

20. Оптоэлектронное преобразовательное устройство, содержащее слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем оптоэлектронное преобразовательное устройство имеет функцию фотодетектирования, осуществляемую за счет определения изменения внутреннего сопротивления, которое возникает в результате генерации носителей, образующихся под воздействием светового излучения в слое с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами.

21. Оптоэлектронное преобразовательное устройство по п.20, отличающееся тем, что энергия детектируемых фотонов является управляемой.

22. Оптоэлектронное преобразовательное устройство, содержащее слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, при этом образуется переход Шоттки на границе между слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами и электродами или р-п переход в слое с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем оптоэлектронное преобразовательное устройство имеет функцию фотодетектирования, осуществляемую за счет определения изменения фотоэлектродвижущей силы, которая проявляется в результате генерации носителей, образующихся под воздействием светового излучения.

23. Датчик цвета, содержащий оптоэлектронные преобразовательные слои, которые включают в себя оптоэлектронные преобразовательные устройства по п. 20, расположенные поочередно через прозрачную изоляционную пленку, причем оптоэлектронное преобразовательное устройство имеет функцию фотодетектирования в различных предварительно заданных диапазонах длин волн за счет управления энергией оптического зазора при помощи регулировки среднего размера частиц или поверхностного атомного расположения сверхмелкозернистых частиц оптоэлектронных преобразовательных элементов.

24. Датчик цвета по п.23, отличающийся тем, что размещенные поочередно оптоэлектронные преобразовательные слои имеют различную энергию оптического зазора, и оптоэлектронные преобразовательные слои размещаются рядом с фотоэлектронной поверхностью, при этом энергия оптического зазора становится больше.

25. Способ изготовления оптоэлектронного материала, при котором осуществляют первую операцию размещения материала мишени для размещения первого материала мишени в вакуумной реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося при низком давлении, осуществляют операцию размещения подложки в вакуумной реакционной камере, и осуществляют операцию абляции с помощью облучения лазерным лучом первого материала мишени, размещенного в первой операции размещения материала мишени для выполнения десорбции и инжекции материала мишени, посредством чего полученные сверхмелкозернистые частицы в процессе конденсации и роста материала, десорбированного и инжектированного в операции абляции, в среде разреженного газа удерживают на подложке, получая при этом оптоэлектронный материал, содержащий сверхмелкозернистые частицы.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что дополнительно содержит операцию размещения второго материала мишени для размещения второго материала мишени в вакуумной реакционной камере, в которой размещают первый материал мишени, и по которому второй материал мишени распыляют для улавливания материала, который получают при распылении, на подложку по существу в то же самое время, как и сверхмелкозернистые частицы, полученные за счет конденсации и роста материала, который десорбируется и инжектируется в операции абляции, в среде разреженного газа улавливаются подложкой, получая таким образом оптоэлектронный материал, имеющий сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в материале, который содержит второй материал мишени.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что дополнительно содержит операцию изменения давления вводимого разреженного газа, находящегося при низком давлении, для управления средним размером сверхмелкозернистых частиц.

28. Способ по п.25, отличающийся тем, что дополнительно содержит операцию выполнения разделения по массе сверхмелкозернистых частиц, полученных в операции абляции, для управления средним размером сверхмелкозернистых частиц.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что операция выполнения разделения по массе сверхмелкозернистых частиц включает в себя операцию ионизации сверхмелкозернистых частиц и операцию подачи электрического поля или магнитного поля на ионизированные сверхмелкозернистые частицы.

30. Способ по п. 25, отличающийся тем, что материал первой мишени представляет собой смешанный материал, находящийся в смешанном кристаллическом состоянии, которое включает в себя множество видов полупроводниковых материалов.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что смешанный материал получают в операции смешивания при механическом смешивании множества частиц начального ряда и в операции спекания смешанных частиц с помощью горячего прессования.

32. Способ по п.25, отличающийся тем, что дополнительно содержит операцию окисления поверхности оптоэлектронного материала, размещенной на упомянутой подложке.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что в операции окисления сверхмелкозернистые частицы, которые получают в операции воздушной ассоциации, подвергают тепловой обработке в газообразной среде, содержащей кислород, посредством чего поверхности сверхмелкозернистых частиц покрываются термической окисной пленкой.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что тепловая обработка в неокисляющей среде при температуре выше, чем температура во время образования термической окисной пленки в операции нанесения покрытия, осуществляется перед образованием термической окисной пленки.

35. Способ изготовления оптоэлектронного материала, содержащий операцию размещения первого материала мишени для размещения первого материала мишени в вакуумной реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося при низком давлении, операцию размещения подложки в вакуумной реакционной камере, операцию размещения второго материала мишени для размещения второго материала мишени во второй реакционной камере, в качестве изолирующего от первого материала мишени, и подложки, в качестве компонента среды, операцию абляции с помощью облучения лазерным лучом первого материала мишени, размещенного в операции размещения первого материала мишени, для выполнения десорбции и инжекции упомянутого материала мишени, и операцию испарения для испарения второго материала мишени, размещенного в операции размещения второго материала мишени, посредством чего материал, полученный в операции испарения на второй материал мишени, наносят на упомянутую подложку по существу в то же самое время, когда сверхмелкозернистые частицы, полученные посредством конденсации и роста материала, десорбированного и инжектированного в операции абляции на первом материале мишени, в среде разреженного газа улавливается подложкой для напыления, чтобы таким образом получить оптоэлектронный материал, имеющий сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в материале, который содержит второй материал мишени.

36. Способ по п.35, отличающийся тем, что операция испарения для испарения второго материала мишени включает в себя операцию абляции с помощью облучения вторым лазерным лучом второго материала мишени, выполняя при этом десорбцию и инжекцию упомянутого материала мишени.

Приоритет по пунктам:

19.06.96 по пп. 11-18, 25-26, 27, 30-34;

27.11.96 по пп. 7-10, 20-21, 22, 23, 24, 28, 29, 35, 36;

26.05.97 по пп. 1-6, 19.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптоэлектронному материалу, устройству для его использования и способу изготовления оптоэлектронного материала. Более конкретно, настоящее изобретение относится к оптоэлектронному материалу, который содержит в качестве основы полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы с управляемым размером частиц, которые изготавливаются из вещества, запасы которого неограничены и которое не загрязняет окружающую среду, и при этом превосходно согласуется с кремниевой технологией (Si)-LSI и обладает свойствами, такими как спонтанное излучение света, быстрое срабатывание, возможность миниатюризации пикселей (минимальных элементов изображения), низкие потери мощности, высокая стойкость к воздействиям окружающей среды и компоновка, не требующая сборки, и к прикладному устройству из оптоэлектронного материала и к способу изготовления оптоэлектронного материала.

Известное светоизлучающее устройство включает в себя светоизлучающий диод и устройство, использующее электролюминесценцию, которая положена в основу практического использования. Оптоэлектронные материалы, которые применяются для этих светоизлучающих устройств, являются сложными полупроводниками, по существу содержащими элемент группы III и элемент группы V (в дальнейшем упоминается как "группа III-V") Периодической таблицы, или сложными полупроводниками, по существу содержащими элемент группы II и элемент группы VI Периодической таблицы, а не кремнием (Si). Это объясняется тем, что кремний является полупроводником с непрямым переходом и с шириной запрещенной зоны 1,1 эВ, которая лежит в ближней инфракрасной области спектра, что считается невозможным для реализации светоизлучающего устройства в видимом диапазоне спектра.

C 1990 года проводятся исследования излучения света пористого Si в видимой области спектра при комнатной температуре (описанные, например, в работе L.Т. Canham, Applied Physics Letters, vol. 57, N 10, 1046 (1990). Полные энтузиазма исследования характеристик излучения в видимой области спектра при комнатной температуре проводятся с применением Si как основного материла. Большинство из этих сообщений относится к Si.

Этот пористый Si, излучающий свет, в основном получают в результате анодирования поверхности монокристаллической подложки Si в растворе, который по существу содержит фтористый водород, и вплоть до настоящего времени фотолюминесценция (PL) наблюдалась на нескольких длинах волн в диапазоне от 800 нм (красный) до 425 нм (синий). Недавно были предприняты попытки получить люминесценцию при помощи возбуждения инжекции током (электролюминесценция, EL) (например, опубликованная, не прошедшая экспертизу заявка N5-206514).

EL этого пористого кремния имеет следующие характерные свойства. (1) Спектры EL и PL показывают по существу те же самые формы спектральных линий с некоторыми различиями по интенсивности. (2) Интенсивность EL пропорциональна току инжекции в предположительно используемой на практике плотности тока инжекции. Однако необходимо отметить, что в области спектра, где плотность тока инжекции меньше, чем в предыдущей области спектра, как следует из сообщений, интенсивность EL пропорциональна квадрату тока инжекции.

Свойство (1) показывает, чтo EL и PL вызваны рекомбинацией носителей (возбужденных электронно-дырочных пар) приблизительно через те же самые уровни люминесценции, свойство (2) показывает, что генерация носителей, характерных для EL, в основном выполняется при помощи инжекции отрицательных носителей вблизи p-n перехода.

При рассмотрении механизма излучения Si, который является полупроводником с непрямым переходом, существует мнение, что правило отбора волнового числа для оптического перехода рeлаксирует в трехмерной мельчайшей структурной области порядка нанометра (нм) при пористой конфигурации, таким образом обеспечивая излучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар, и мнение, что часто упоминаемую кольцевую окись (полисилоксан) получают на поверхности пористого Si, и новый энергетический уровень, который дает вклад в излучательную рекомбинацию, образуется на границе полисилоксан/Si. В любом случае по отношению к фотовозбуждению, по-видимому, ясно, что изменение в структуре энергетических зон (явление увеличения запрещенной зоны) вызвано квантовым эффектом удержания.

Кроме того, люминесценция от пористого Si имеет широкую полосу спектра, приблизительно 0,3 эВ или более. В этом отношении предпринимаются некоторые попытки получить структуру резонатора с использованием этого пористого Si для того, чтобы повысить интенсивность излучения в специфической области длин волн при непрерывном спектре, которое первоначально генерируется (например, L. Pavesi et al., Applied Physics Letters, vol. 67, 3280 (1995)).

В известных оптоэлектронных материалах используются сложные полупроводники, в основном содержащие элемент группы III-V или элемент группы II-VI типа с прямым переходом, однако они содержат элемент (In или подобный), запасы которого достаточно малы, и стоимость его очистки является высокой, несмотря на высокую эффективность излучения. Кроме того, до сих пор отсутствует методика нанесения мелкомасштабных рисунков для этих сложных полупроводников, используемая при изготовлении полупроводников, по сравнению с методикой нанесения мелкомасштабных рисунков для Si, что затрудняет получение мелкомасштабных образцов порядка микрона (мкм) или менее. Кроме того, элементы группы III и V служат в качестве легирующего вещества для Si и тем самым влияют на электрическую проводимость. То есть пока устройство спонтанного излучения света по существу состоит из полупроводникового материла, согласование с технологическими процессами или устройствами для технологии Si-LSI как типичного электронного устройства является плохим и по существу неосуществимым для изготовления устройства с интегральным Si и LSI. Более того, имеется существенный недостаток, заключающийся в том, что необходимо менять тип материала (то есть искать новый), и способ изготовления необходимо полностью перестраивать для того, чтобы отрегулировать длину волны излучения.

В случае пористого Si, способного излучать свет, пористый слой формируют на поверхности монокристаллической подложки Si при помощи анодирования в растворе, при этом, несмотря на то что кристаллит в пористом слое имеет высококачественную кристаллическую структуру, трудно управлять формой и размером кристалла. Особенно трудно с высокой эффективностью получить сферический кристаллит с размером частиц 5 нм или менее. Если механизм излучения видимого света материала группы IV на основе Si представляет собой квантовый эффект размера (ослабление действия правила отбора волнового числа, изменение зонной структуры благодаря квантовому эффекту удержания и т.п.), то все еще актуальным является получение сферического кристаллита с размером частиц порядка нанометра. С этой точки зрения, нельзя сказать, что методика изготовления останется оптимальной.

Также появляются большие трудности, когда намереваются продемонстрировать работу устройства отображения с использованием регулярно размещенного пористого Si на основе светоизлучающих элементов и их независимую работу. В частности, когда пористый Si непосредственно получают в подложке Si, невозможно обеспечить электрическую изоляцию между элементами. Кроме того, невозможно получить слоистую структуру с помощью другого материала, подобного прозрачному материалу, который имеет высокий коэффициент передачи в видимом диапазоне спектра.

Хотя схема размещения частиц элемента группы IV или частично окисленных частиц элемента группы IV между электродами для излучения света уже известна (например, раскрыта в опубликованной заявке JP N 7-52670), однако существует недостаток, связанный с управлением электрической характеристики и невозможностью адаптации к различным видам светоизлучающих устройств и фотодетекторов. Поэтому в современной технологии отсутствует оптоэлектронный материал, который можно было бы адаптировать к различным видам светоизлучающих устройств и фотодетекторов с возможностью управления электрическими характеристиками.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является разработка оптоэлектронного материала, который содержит материал, запасы которого неограничены и который не загрязняет окружающую среду, и при этом прекрасно согласуется с кремниевой технологией (Si)-LSI и обладает свойствами, такими как спонтанное излучение света, быстрое срабатывание, возможность миниатюризации пикселя, низкие потери мощности, высокая стойкость к воздействиям окружающей среды и процесс компоновки, не требующей сборки, и к прикладному устройству из оптоэлектронного материала и к способу изготовления оптоэлектронного материала.

Для решения этой задачи оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению содержит однородную среду с управляемой электрической характеристикой и полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в упомянутой среде, причем упомянутые сверхмелкозернистые частицы имеют средний размер частиц 100 нм или менее, а упомянутая среда имеет специфическое сопротивление приблизительно такое же или больше, чем у полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц. Это позволяет получить инжекцию носителей в сверхмелкозернистых частицах или квантовое удержание носителей в сверхмелкозернистых частицах, которые в дальнейшем будут эффективно выполнены с возможностью управления.

Кроме того, предусмотрено, что расстояние между полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами, диспергированными в среде, равно или больше радиуса полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц.

Предусмотрено, что упаковочный множитель полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц в упомянутой среде равен или меньше 30%.

Стандартная энтальпия образования среды ниже, чем у окиси элемента, образующего полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в среде.

Предусматривается, что полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в упомянутой среде, покрывают окисью элемента, образующего полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы.

При этом стандартная энтальпия образования упомянутой среды выше, чем у окиси полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц, диспергированных в упомянутой среде.

Для решения поставленной задачи также предлагается оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению, содержащий слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающийся тем, что он содержит слои прозрачного материала, причем слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами и слои прозрачного материала поочередно расположены один на другом. Это позволяет выполнить оптоэлектронный материал, имеющий свойство повышения интенсивности специфического диапазона длин волн в непрерывном спектре, в котором детектируют или генерируют сверхмелкозернистые частицы.

Кроме того, предлагается оптоэлектронный материал, содержащий слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающийся тем, что он содержит слой с высоким отражением, выполненный на одной поверхности слоя с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, и слой с частичным отражением, выполненный на другой поверхности слоя с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами. Это позволяет сузить диапазон длин волн детектируемых и излучаемых световых пучков и может повысить интенсивность.

Предусматривается, что по меньшей мере один из слоя с частичным отражением и слоя с высоким отражением является многослойной пленкой, которая имеет два вида слоев с различными коэффициентами преломления, которые поочередно расположены один на другом.

Также предусматривается, что слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами включает многослойную пленку.

Для решения поставленной задачи также предлагается светоизлучающее устройство, содержащее слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, отличающееся тем, что при подаче напряжения на пару электродов происходит инжекция носителей в полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, и в результате излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар, вызванной инжекцией носителей, возникает излучение света, при этом среда имеет специфическое сопротивление такое же или больше, чем у полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц.

Предусматривается, что энергия световых фотонов является управляемой.

Поставленная задача также решается в светоизлучающем устройстве, содержащем слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающемся тем, что оно содержит первый электрод, выполненный на одной основной поверхности полупроводниковой подложки, слой изолятора, выполненный на другой основной поверхности упомянутой полупроводниковой подложки и имеющий отверстие для частичного облучения полупроводника, и второй электрод, выполненный на слое с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, при этом слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами находится в контакте с полупроводниковой подложкой через упомянутое отверстие.

Предусматривается, что при подаче напряжения на первый и второй электроды происходит инжекция носителей в полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, и в результате излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар за счет инжекции носителей возникает излучение света, причем интенсивность излучения увеличивается значительно быстрее по сравнению с пропорциональной зависимостью для тока инжекции.

Объектом изобретения является также монохромное устройство отображения, содержащее светоизлучающие элементы, каждый из которых имеет слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, имеющий полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающееся тем, что оно содержит пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем светоизлучающие элементы входят в состав однородно и регулярно размещенных единичных пикселей, при этом интенсивность излучения каждого из упомянутых единичных пикселей регулируется посредством изменения тока возбуждения для светоизлучаюших элементов единичного пикселя.

Еще одним объектом изобретения является цветное устройство отображения, содержащее светоизлучающие элементы, каждый из которых имеет слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, имеющий полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, отличающееся тем, что оно содержит пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем светоизлучающие элементы входят в состав однородно и регулярно размещенных единичных пикселей, при этом единичный пиксель содержит множество светоизлучающих элементов, предназначенных для излучения света специфического цвета благодаря среднему размеру частицы или поверхностному атомному расположению сверхмелкозернистых частиц светоизлучающих элементов, причем интенсивность излучения и цвет каждого из единичных пикселей регулируется посредством изменения тока возбуждения светоизлучающих элементов единичного пикселя.

Предлагается также портативное устройство отображения, имеющее приведенное выше устройство отображения.

Объектом изобретения является также устройство отображения, надеваемое на голову, содержащее приведенное выше устройство отображения, элемент крепления для крепления упомянутого устройства отображения к голове человека, на которую надевается элемент устройства отображения, оптическую систему для получения информации, отображаемой на устройстве отображения для правого и левого глаз человека.

Предлагается также электронный словарь для отображения информации с помощью упомянутого выше устройства отображения.

Объектом изобретения является также оптоэлектронное преобразовательное устройство, содержащее слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем оптоэлектронное преобразовательное устройство имеет функцию фотодетектирования, осуществляемую за счет определения изменения внутреннего сопротивления, которое возникает в результате генерации носителей, образующихся под воздействием светового излучения в слое с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами.

При этом предусматривается, что энергия детектируемых фотонов является управляемой.

Предлагается также оптоэлектронное преобразовательное устройство, содержащее слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, при этом образуется переход Шоттки на границе между слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами и электродами или p-n переход в слое с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, причем оптоэлектронное преобразовательное устройство имеет функцию фотодетектирования, осуществляемую за счет определения изменения фотоэлектродвижущей силы, которая проявляется в результате генерации носителей, образующихся под воздействием, светового излучения.

Кроме того, объектом изобретения является датчик цвета, содержащий оптоэлектронные преобразовательные слои, которые включают в себя указанные выше оптоэлектронные преобразовательные устройства, расположенные поочередно через прозрачную изоляционную пленку, причем оптоэлектронное преобразовательное устройство имеет функцию фотодетектирования в различных предварительно заданных диапазонах длин волн за счет управления энергией оптического зазора при помощи регулировки среднего размера частиц или поверхностного атомного расположения сверхмелкозернистых частиц оптоэлектронных преобразовательных элементов.

Предусматривается, что размещенные поочередно оптоэлектронные преобразовательные слои имеют различную энергию оптического зазора, и оптоэлектронные преобразовательные слои размещаются рядом с фотоэлектронной поверхностью, при этом энергия оптического зазора становится больше.

Для решения поставленной задачи предлагается также способ изготовления оптоэлектронного материала, при котором осуществляют первую операцию размещения материала мишени для размещения первого материала мишени в вакуумной реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося при низком давлении, осуществляют операцию размещения подложки в вакуумной реакционной камере и осуществляют операцию абляции с помощью облучения лазерным лучом первого материала мишени, размещенного в первой операции размещения материала мишени для выполнения десорбции и инжекции материала мишени, посредством чего полученные сверхмелкозернистые частицы в процессе конденсации и роста материала, десорбированного и инжектированного в операции абляции, в среде разреженного газа удерживают на подложке, получая при этом оптоэлектронный материал, содержащий сверхмелкозернистые частицы.

Указанный способ дополнительно содержит операцию размещения второго материала мишени для размещения второго материала мишени в вакуумной реакционной камере, в которой размещают первый материал мишени, и по которому второй материал мишени распыляют для улавливания материала, который получают при распылении, на подложку по существу в то же самое время, как и сверхмелкозернистые частицы, полученные за счет конденсации и роста материала, который десорбируется и инжектируется в операции абляции, в среде разреженного газа улавливаются подложкой, получая таким образом оптоэлектронный материал, имеющий сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в материале, который содержит второй материал мишени.

Кроме того, способ дополнительно содержит операцию изменения давления вводимого разреженного газа, находящегося при низком давлении, для управления средним размером сверхмелкозернистых частиц.

Способ дополнительно содержит операцию выполнения разделения по массе сверхмелкозернистых частиц, полученных в операции абляции, для управления средним размером сверхмелкозернистых частиц.

Предусматривается, что операция выполнения разделения по массе сверхмелкозернистых частиц включает в себя операцию ионизации сверхмелкозернистых частиц и операцию подачи электрического поля или магнитного поля на ионизированные сверхмелкозернистые частицы.

Кроме того, предусматривается, что материал первой мишени представляет собой смешанный материал, находящийся в смешанном кристаллическом состоянии, которое включает в себя множество видов полупроводниковых материалов.

При этом смешанный материал получают в операции смешивания при механическом смешивании множества частиц начального ряда и в операции спекания смешанных частиц с помощью горячего прессования.

Способ также дополнительно содержит операцию окисления поверхности оптоэлектронного материала, размещенного на упомянутой подложке.

Предусматривается, что в операции окисления сверхмелкозернистые частицы, которые получают в операции воздушной ассоциации, подвергают тепловой обработке в газообразной среде, содержащей кислород, посредством чего поверхности сверхмелкозернистых частиц покрываются термической окисной пленкой.

Согласно способу также тепловая обработка в неокисляющей среде при температуре выше, чем температура во время образования термической окисной пленки в операции нанесения покрытия, осуществляется перед образованием термической окисной пленки.

Для решения поставленной задачи предлагается также способ изготовления оптоэлектронного материала, содержащий операцию размещения первого материала мишени для размещения первого материала мишени в вакуумной реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося при низком давлении, операцию размещения подложки в вакуумной реакционной камере, операцию размещения второго материала мишени для размещения второго материала мишени во второй реакционной камере в качестве изолирующего от первого материала мишени и подложки в качестве компонента среды, операцию абляции с помощью облучения лазерным лучом первого материала мишени, размещенного в операции размещения первого материала мишени, для выполнения десорбции и инжекции упомянутого материала мишени, и операцию испарения для испарения второго материала мишени, размещенного в операции размещения второго материала мишени, посредством чего материал, полученный в операции испарения на второй материал мишени, наносят на упомянутую подложку по существу в то же самое время, когда сверхмелкозернистые частицы, полученные посредством конденсации и роста материала, десорбированного и инжектированного в операции абляции на первом материале мишени, в среде разреженного газа улавливается подложкой для напыления, чтобы таким образом получить оптоэлектронный материал, имеющий сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в материале, который содержит второй материал мишени.

Предусматривается, что операция испарения для испарения второго материала мишени включает в себя операцию абляции с помощью облучения вторым лазерным лучом второго материала мишени, выполняя при этом десорбцию и инжекцию упомянутого материала мишени.

Кроме того, предусматривается использование любых вышеупомянутых оптоэлектронных материалов для получения светоизлучающего устройства, устройства отображения или оптоэлектронного преобразовательного устройства с парой электродов, между которыми находится оптоэлектронный материал таким способом, что обеспечивается непосредственный контакт с ним, при этом соответственно можно управлять электрическим контактом между электродами и слоем оптоэлектронного материала для эффективного выполнения излучения света или функции оптоэлектронного преобразования.

Портативное устройство отображения согласно настоящему изобретению конструируется по существу с использованием устройства отображения. Эта конструкция позволяет выполнить портативное устройство отображения, которое является подходящим для уменьшения размера и веса, и имеет низкие потери мощности и высокое разрешение, и которое можно соответственно адаптировать для использования в качестве HMD или электронного словаря.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых

фиг. 1А - 1С изображают структурные виды в поперечном сечении светоизлучающего устройства, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2А и 2В изображают графики зависимости тока от напряжения светоизлучающего устройства;

фиг. 3 изображает графики, зависимости интенсивности излучения от тока светоизлучающего устройства;

фиг. 4 изображает график зависимости интенсивности излучения от скважности светоизлучающего устройства;

фиг. 5 изображает график зависимости интенсивности излучения от энергии фотонов PL и EL светоизлучающего устройства;

фиг. 6A,B изображает график зависимости размера сверхмелкозернистых частиц от энергии запрещенной зоны светоизлучающего устройства;

фиг. 7 изображает структурный вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 8A - 8С изображают структурные схемы устройства монохромного устройства отображения согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 9 изображает упрощенную схему структуры одного пикселя цветного устройства изображения согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 10 изображает упрощенную схему основной структуры устройства портативного устройства отображения согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 11А и 11В изображают структурные виды в поперечном сечении HMD согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 12 изображает общий вид крепления HMD в виде очков;

фиг. 13 изображает структурный вид в поперечном сечении HMD согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 14 изображает структурный вид в поперечном сечении оптоэлектронного преобразовательного устройства согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 15 изображает структурный вид в поперечном сечении оптоэлектронного преобразовательного устройства согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 16 изображает структурный вид в поперечном сечении датчика цвета согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 17 изображает спектр поглощения каждого слоя оптоэлектронного преобразования датчика цвета;

фиг. 18А и 18В изображают структурные виды в поперечном сечении оптоэлектронного материала согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 19А и 19В изображают спектр излучения оптоэлектронного материала, показанного на фиг. 18;

фиг. 20 изображает структурный вид в поперечном сечении оптоэлектронного материала согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 21А - 21С изображают пояснительные схемы операций получения смешанной мишени согласно тринадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 22 изображает общую схему устройства для получения сверхмелкозернистых частиц;

фиг. 23 изображает график зависимости давления разреженного газа от среднего размера сверхмелкозернистых частиц;

фиг. 24 изображает общую схему устройства управления размером сверхмелкозернистых частиц;

фиг. 25 изображает общую схему устройства оптоэлектронного материала согласно четырнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 26 изображает структурную схему устройства гибридного катода согласно четырнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 27 изображает структурную схему устройства композиционного осаждения для изготовления оптоэлектронного материала.

Варианты наилучшего осуществления изобретения.

Оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению содержит однородную среду с управляемой электрической характеристикой и полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в среде и имеющие средний размер частиц 100 нм или менее. Это позволяет получить квантовый эффект удержания сверхмелкозернистых частиц.

Предпочтительно, чтобы размер (диаметр) частиц полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц в оптоэлектронном материале согласно настоящему изобретению или слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами был приблизительно более чем в два раза меньше длины волны де Бройля полупроводникового материала для сверхмелкозернистых частиц.

Так как оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению образуется при помощи диспергируюших сверхмелкозернистых частиц, которые находятся в среде, имеющей одинаковую проводимость, можно продемонстрировать, квантовый эффект удержания сверхмелкозернистых частиц без дисбаланса. Кроме того, так как сверхмелкозернистые частицы диспергируются по существу в однородную среду с управляемой проводимостью или диэлектрической постоянной, можно управлять квантовым эффектом удержания носителей в сверхмелкозернистых частицах.

Предпочтительно, чтобы среда имела специфическое сопротивление приблизительно такое же или большее, чем у сверхмелкозернистых частиц. Это позволяет получить квантовый эффект удержания носителей в сверхмелкозернистых частицах, который в дальнейшем будет эффективно продемонстрирован.

Также предпочтительно, чтобы расстояние между сверхмелкозернистыми частицами, диспергированными в среде, было равно или больше, чем радиус сверхмелкозернистых частиц. С другой стороны, упаковочный множитель сверхмелкозернистых частиц в среде может быть равен или меньше 30%. Это позволяет получить квантовый захват сверхмелкозернистых частиц, который в дальнейшем будет эффективно продемонстрирован. Если стандартная энтальпия образования среды меньше, чем у окиси сверхмелкозернистых частиц, диспергированных в среде, то сверхмелкозернистые частицы могут стабильно существовать в среде.

Кроме того, на сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в среде, можно нанести покрытие с помощью окиси элемента, образующего сверхмелкозернистые частицы. В этом случае, даже если стандартная энтальпия образования среды выше, чем у окиси сверхмелкозернистых частиц, диспергированных в среде, то сверхмелкозернистые частицы могут стабильно существовать в среде.

Подходящим является то, что сверхмелкозернистые частицы в вышеописанных оптоэлектронных материалах содержат полупроводник группы IV. С этой структурой получают сверхмелкозернистые частицы из материла, запасы которого неограничены, который не загрязняет окружающую среду, прекрасно согласован с технологией Si-LSI, имеет высокую стойкость к воздействиям окружающей среды и процесс компоновки, не требующeй сборки. Сверхмелкозернистые частицы могут содержать сложный полупроводник группы III-V или II-VI. Кроме того, среда представляет собой соответственно тонкую пленку из прозрачного проводящего материала или диэлектрического материала.

Оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению характеризуется такой структурой, в которой слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами имеет сверхмелкозернистые полупроводниковые частицы со средним размером частицы 100 нм или менее, диспергированные в однородную среду с управляемой электрической характеристикой, и слои прозрачного материала являются поочередно и послойно расположены один на другом. Это позволяет увеличить интенсивность специфического диапазона длин волн в непрерывном спектре, который в основном формируется генерацией сверхмелкозернистых частиц.

Прозрачные слои соответственно получают из тонкой прозрачной проводящей пленки или диэлектрической пленки. Желательно, чтобы слой с диспергированными сверxмелкозернистыми частицами имел вышеупомянутые характеристики.

Оптоэлектронный материал согласно варианту осуществления настоящего изобретения содержит слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами со средним размером полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц 100 нм или менее, диспергированных в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и слой с частичным отражением и слой с высоким отражением, выполненный на и под слоем с диспергированными мелкозернистыми частицами. Это может увеличить интенсивность специфического диапазона длин волн в непрерывном спектре, который формируется за счет генерации сверхмелкозернистых частиц. По меньшей мере один из слоев с частичным отражением и слоев с высоким отражением можно выполнить из тонкой металлической пленки.

Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из слоев с частичным отражением и слоев с высоким отражением имел многослойную структуру с периодической структурой, которая по меньшей мере имеет два вида слоев с различными коэффициентами преломления, которые поочередно расположены друг на друге. Это позволяет увеличить интенсивность специфического диапазона длин волн в непрерывном спектре, который в основном образуется за счет генерации сверхмелкозернистых частиц, входящих в слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами.

С другой стороны, слой с высоким отражением можно получить из многослойной пленки, которая имеет по меньшей мере два вида слоев с различными коэффициентами преломления поочередно расположенными друг на друге, и тонкую металлическую пленку. Многослойная пленка может включать в себя слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет вышеупомянутые характеристики.

Предпочтительно, чтобы слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами в вышеописанном оптоэлектронном материале имел вышеупомянутые характеристики. В этом случае толщина оптической пленки слоя с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами равна соответственно кратным целым числам длин волн излучаемого света.

Светоизлучающее устройство согласно настоящему изобретению содержит слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой электрической характеристикой, и пару электродов, которые расположены на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, посредством чего (так как напряжение прикладывается к паре электродов) носители инжектируются в полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, и происходит излучение света в результате излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар, которая возникает при помощи инжекции носителей. Это позволяет обеспечить электрическое соединение между электродами и слоем оптоэлектронного материала, которым будут управлять.

Энергией излучаемых фотонов можно управлять при помощи регулировки размера частиц сверхмелкозернистых частиц или при помощи регулировки размещения атомной поверхности сверхмелкозернистых частиц. Подходящим является то, что пара электродов представляет собой прозрачные или полупрозрачные электроды, которые позволяют получить высокий коэффициент пропускания внешнего светового пучка.

Кроме того, тонкая пленка металлического электрода может находиться в контакте со слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами. В этом случае предпочтительно, чтобы слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами и металлический электрод имели контакт типа перехода Шоттки. Тонкая пленка металлического электрода соответственно содержит любое из веществ, таких как магний, индий, алюминий, платина, золото, серебро, вольфрам, молибден, тантал, титан, кобальт, никель и палладий.

Кроме того, подходящим является то, что получают полупроводниковую подложку, выполненную с одним электродом, и изоляционный слой, сформированный на стороне с одним электродом полупроводниковой подложки и имеющий отверстие для частичного облучения полупроводниковой подложки, формируют слой оптоэлектронного материала для нанесения покрытия на отверстие для того, чтобы создать части отверстия с активной областью, выполняют излучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар внутри сверхмелкозернистых частиц или вблизи от поверхности сверхмелкозернистых частиц при помощи явления увеличения, и для интенсивности излучения свойственно увеличение, превышающее просто пропорциональную зависимость от тока инжекции в светоизлучающем устройстве. Использование такого явления увеличения позволяет обеспечить очень эффективное использование мощности, которая будет расходоваться при начальной инжекции электронов и ограниченной квантовой эффективности во время соударения ионов, и является значительно эффективным при увеличении динамического диапазона интенсивности излучения.

Если p-n переход выполнен в слое оптоэлектронного материала, то обеспечивается высокая эффективность по мощности по сравнению со случаем, где имеется только контакт типа перехода Шоттки, который, очевидно, является самой простой структурой, которая позволяет реализовать светоизлучающее устройство.

Монохромное устройство отображения предназначено для регулировки интенсивности излучения каждого из единичных пикселей устройства, регулярно размещенных в планарном виде, с помощью изменения тока возбуждения светоизлучающих элементов единичными пикселями, использующих такие светоизлучающие элементы в виде светоизлучающих элементов, которые соответствуют единичным пикселям. Цветное устройство отображения для регулировки интенсивности излучения и цвета каждого из единичных пикселей, регулярно установленных на плоскости, с помощью изменения тока возбуждения светоизлучающих элементов, образующих единичные пиксели, можно получить с помощью конструкции светоизлучательного элемента, сконструированного так, чтобы иметь сверхмелкозернистые частицы с различными средними размерами частиц для того, чтобы излучать световые пучки различных цветов с тремя основными цветами и использовать светоизлучающие элементы в виде светоизлучающих элементов, которые соответствуют единичным пикселям и позволяют излучать все три основных цвета.

Изобретение дополнительно предусматривает портативное устройство отображения, которое имеет вышеописанное устройство отображения. В этом случае очень высокое разрешение можно получить при помощи установки длины единичных пикселей в диапазоне приблизительно 1-100 мкм. Портативное устройство отображения, имеющее такие устройства отображения, может быть устройством отображения с установкой на голове, которое содержит элементы крепления для безопасной работы устройства отображения на голове человека, на которой устройство отображения будет установлено, и оптическую систему для получения информации, отображаемой на устройстве отображения для правого и левого глаз человека. С этой структурой устройство отображения является компактным и обеспечивает высокую резкость для того, чтобы оптическая система, связанная с глазами, стала компактной, таким образом, внося вклад в уменьшение размера и веса основного тела устройства отображения, установленного на голове, и обеспечивает широкий угол зрения и высокое разрешение.

Оптическая система устройства отображения, установленного на голове, может получать внешнюю информацию для правого и левого глаз человека, который носит устройство отображения. Предпочтительно, чтобы светоизлучающее устройство, имеющее коэффициент пропускания, находилось за элементом, пропускающим свет для того, чтобы иметь такой коэффициент пропускания, чтобы внешний световой пучок вводился в оптическую систему. Благодаря коэффициенту пропускания эта структура позволяет реализовать компактное устройство отображения, установленное на голове, типа "смотри через", которая не требует полупрозрачного зеркала или подобных элементов.

Устройства отображения можно устанавливать в направлении линии зрения, отличном от направленной назад линии зрения человека, который носит устройство, для того чтобы человек мог легко наблюдать, что происходит сзади посредством сдвига линии зрения вверх и вниз или аналогично, и не поворачивая саму голову.

Настоящее изобретение также предусматривает электронный словарь, который отображает информацию при помощи устройства отображения. Так как устройство отображения является компактным и типом с высокой резкостью, то можно реализовать компактный и легкий словарь, который имел бы тот же самый уровень высокого разрешения, как и известные бумажные словари.

Фотодетектор согласно настоящему изобретению содержит слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, имеющий полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы со средним размером 100 нм или менее, диспергированные в однородной среде с управляемой диэлектрической характеристикой, и пару электродов, расположенных на и под слоем с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, и имеет функцию фотодетектирования за счет определения изменения внутреннего сопротивления, которое возникает в процессе генерации носителей, которые образуются под воздействием излучения света в слое с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами.

Фотодетектор согласно настоящему изобретению содержит слой оптоэлектронного материала, содержащий вышеупомянутый материал, и пару электродов, выполненных на и под слоем оптоэлектронного материала, с переходом Шоттки, образованном на границе между слоем оптоэлектронного материала и электродами или с p-n переходом, образованном в слое оптоэлектронного материала, и имеет функцию фотодетектирования за счет определения изменения фотоэлектродвижущей силы, образующейся при помощи генерации носителей, которая возникает в результате генерации носителей, образующихся при облучении световым пучком.

Энергией излучаемых фотонов можно управлять при помощи регулировки размера сверхмелкозернистых частиц или при помощи регулировки поверхностного атомного расположения сверхмелкозернистых частиц.

Оптоэлектронное преобразовательное устройство согласно настоящему изобретению является оптоэлектронным преобразовательным устройством, которое содержит слой оптоэлектронного материала, содержащий вышеупомянутый оптоэлектронный материал и пару электродов, выполненных на и под слоем оптоэлектронного материала, и которое имеет функцию обнаружения излучения света при излучательной рекомбинации генерируемых электронно-дырочных пар, вызванной инжекцией носителей в случае, когда отрицательные носители вводятся в сверхмелкозернистые частицы слоя оптоэлектронного материала через пару электродов, и функцию фотодетектирования за счет определения изменения внутреннего сопротивления, вызванного генерацией носителей в случае, когда свет падает на слой оптоэлектронного материала.

Оптоэлектронное преобразовательное устройство согласно настоящему изобретению представляет собой оптоэлектронное преобразовательное устройство, которое содержит слой оптоэлектронного материала, содержащего вышеупомянутый оптоэлектронный материал, и пару электродов, выполненных на и под слоем оптоэлектронного материала, с переходом Шоттки, образованным на границе между слоем оптоэлектронного материала и электродами или с p-n переходом, образованным в слое оптоэлектронного материала, и который имеет функцию обнаружения излучения света при излучательной рекомбинации генерируемых электронно-дырочных пар, вызванных инжекцией носителей в случае, когда отрицательные носители инжектируются в сверхмелкозернистые частицы слоя оптоэлектронного материала через пару электродов и фотодетекторную функцию за счет определения фотоэлектродвижущей силы, возникающей в результате генерации носителей в случае, когда световой пучок падает на слой оптоэлектоонного материала.

Энергией излучаемых и обнаруженных фотонов можно управлять при помощи регулировки размера сверхмелкозернистых частиц или при помощи регулировки поверхностного атомного расположения сверхмелкозернистых частиц.

В вышеописанных оптоэлектронных преобразовательных устройствах пара электродов может представлять собой прозрачные или полупрозрачные электроды.

Управляя оптической энергией оптического зазора при помощи регулировки среднего размера сверхмелкозернистых частиц в вышеупомянутом фотодетекторе или в структуре поверхностного атомного расположения, можно использовать фотодетектор согласно настоящему изобретению в качестве детектора ультрафиолетового излучения, который содержит фотодетектор, имеющий функцию фотодетектирования ультрафиолетового излучения. Эта структура устраняет необходимость использования фильтров или подобных элементов и обеспечивает высокие характеристики при согласовании с технологией Si-LSI, стойкость к воздействиям окружающей среды и способность компоновки, не требующей сборки.

Управляя энергией оптического зазора при помощи регулировки среднего размера сверхмелкозернистых частиц в вышеупомянутом фотодетекторе или в структуре поверхностного атомного расположения, настоящее изобретение предусматривает датчик синего цвета, содержащий фотодетектор, который имеет функцию фотодетектирования для синего света. Эта структура устраняет необходимость использования фильтров или подобных элементов и обеспечивает высокие характеристики при согласовании с технологией Si-LSI, стойкость к воздействиям окружающей среды и способность компоновки, не требующей сборки.

Управляя энергией оптического зазора при помощи регулировки среднего размера сверхмелкозернистых частиц в вышеупомянутом фотодетекторе или в структуре поверхностного атомного расположения, настоящее изобретение предусматривает датчик цвета, содержащий слои с оптоэлектронным преобразованием, которые содержат фотодетекторы, имеющие функции фотодетектирования в различных предварительно заданных диапазонах длин волн, уложенных через прозрачную изоляционную пленку. С этой структурой при облучении светом только слой оптоэлектронного материала, который имеет чувствительность для своей компоненты длины волны, выполняет оптоэлектронное преобразование, таким образом выполняя функцию датчика цвета.

Подходящим с точки зрения чувствительности принимаемого света является то, что уложенные слои с фотоэлектронным преобразованием имеют различные энергии оптического зазора, и слой, который находится ближе к светоприемной поверхности, имеет более высокую энергию оптического зазора. Кроме того, слои с фотоэлектронным преобразованием могут включать в себя три слоя с фотоэлектронным преобразованием, которые имеют различные энергии оптического зазора в видимом диапазоне спектра.

Настоящее изобретение предусматривает полупроводниковое устройство в монолитном интегральном исполнении, которое имеет по меньшей мере одно или несколько вышеупомянутых светоизлучающих устройств, устройство отображения, оптоэлектронное преобразовательное устройство, детектор ультрафиолетового излучения, датчик синего цвета и датчик цвета. С этой структурой устройство выполнено из материала, количество которого неограничено и которое не загрязняет окружающую среду, и имеет высокие характеристики при согласовании с технологией Si-LSI, стойкость к воздействиям окружающей среды и процесс компоновки, не требующей сборки.

Способ изготовления оптоэлектронного материала согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что лазерный луч падает на первую мишень полупроводникового материала, которую размещают в реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося при низком давлением, полупроводниковый материал, удаленный из первой мишени, конденсируют и растят для того, чтобы получить сверхмелкозернистые частицы со средним размером частиц 100 нм или менее, и сверхмелкозернистые частицы являются закрытыми в материале среды, который имеет управляемую электрическую характеристику. Схемы для возникновения сверхмелкозернистых частиц, которые будут находиться в закрытом состоянии в материале среды, имеющей управляемую электрическую характеристику, включают в себя операцию лазерной абляции и схему погружения сверхмелкозернистых частиц в материал среды, выполненный в объеме.

То есть способ характеризуется тем, что размещают первый материала мишени в вакуумной реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося под низким давлением, размещают подложку для напыления в вакуумной реакционной камере и облучают лазерным лучом первого материала мишени, которую размещают в операции размещения первого материала мишени для того, чтобы вызвать десорбцию и инжекцию материала мишени (абляция), и собирают сверхмелкозернистые частицы, полученные при помощи конденсации и роста материала, десорбированного и инжектированного на этой абляции, в среде разреженного газа на подложке для напыления для того, чтобы получить оптоэлектронный материал, содержащий сверхмелкозернистые частицы.

С вышеописанной структурой сверхмелкозернистые частицы с размером частиц, управляемым на уровне нанометра, гарантированно напыляют на подложку при помощи выполнения операции лазерной абляции в среде разреженного газа.

Способ изготовления оптоэлектронного материала согласно настоящему изобретению содержит операцию облучения лазерным лучом первой мишени полупроводникового материала, размещенного в реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося под низким давлением, и второй мишени материала среды с управляемой электрической характеристикой, размещенной в реакционной камере, и конденсации/роста полупроводникового материала, который удаляется из первой мишени, которая в дальнейшем будет собираться в качестве сверхмелкозернистых частиц, со средним размером частиц 100 нм или менее на подложке, расположенной в реакционной камере, и конденсации/роста материала среды, который удаляется из второй мишени для дальнейшего сбора на подложке, расположенной в реакционной камере, таким образом получая слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, имеющий полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в среде на подложке.

По способу согласно настоящему изобретению размещают второй материал мишени в вакуумной реакционной камере, в которой размещается первый материал мишени, и распыляют второй материал мишени для того, чтобы собрать материал, полученный в результате распыления, на подложке для напыления по существу за то же самое время, как и сверхмелкозернистые частицы, полученные в результате конденсации и роста материала, десорбированного и инжектированного в операции абляции, в среде разреженного газа, собирают на подложке для напыления, чтобы таким образом получить оптоэлектронный материал, имеющий сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в материале, который содержит второй материал мишени. С этой структурой на подложке получают тонкую диэлектрическую пленку с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами при помощи напыления с использованием операций абляции и распыления.

Кроме того, по способу согласно настоящему изобретению размещают первый материал мишени в первой реакционной камере в среде разреженного газа, находящегося под низким давлением, размещают подложку для напыления в реакционной камере, размещают второй материал мишени во второй реакционной камере, в качестве изолирующего от первого материала мишени и подложки как компонента среды, облучают лазерным лучом первый материал мишени, который размещается в операции размещения первого материала мишени для того, чтобы вызвать десорбцию и инжекцию материала мишени (абляция), и испаряют второй материал мишени, который размещается в операции размещения второго материала мишени. С этой структурой материал, полученный в операции испарения на втором материале мишени, собирают на подложке для напыления по существу в то же самое время, как и сверхмелкозернистые частицы, полученные при помощи конденсации и выращивания материала, который десорбируется и инжектируется в операции абляции на первом материале мишени, в среде разреженного газа собирают на подложке для напыления для того, чтобы можно было получить оптоэлектронный материал, имеющий сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в материале, который содержит второй материал мишени.

Предпочтительно, чтобы лазер использовался в операции испарения для испарения второго материала мишени и в операции абляции, связанной с облучением вторым лазерным лучом второго материала мишени для того, чтобы вызвать десорбцию и инжекцию материала мишени.

Предпочтительно, чтобы вышеописанный способ изготовления оптоэлектронного материала в дальнейшем содержал операцию изменения давления на входе разреженного газа, находящегося под низким давлением, и эта структура позволила бы управлять средним размером сверхмелкозернистых частиц.

Кроме того, можно выполнить операцию разделения изотопов сверхмелкозернистых частиц, которые получаются из операции абляции. Эта структура позволит в дальнейшем управлять средним размером сверхмелкозернистых частиц. В этом случае операция выполнения разделения изотопов сверхмелкозернистых частиц может включать в себя операцию ионизации сверхмелкозернистых частиц и операцию подачи электрического поля или магнитного поля на ионизированные сверхмелкозернистые частицы.

В вышеуказанном способе первый материал мишени может включать в себя по меньшей мере одно из полупроводниковых, металлических и диэлектрических веществ. Кроме того, первый материал мишени может быть смешанным материалом, содержащим множество полупроводников группы IV, и этот смешанный материал может быть смесью кремния и германия и в смешанном кристаллическом состоянии. С этой структурой, используя смешанные кристаллические сверхмелкозернистые частицы, отношение состава смешанного кристалла можно использовать в качестве вспомогательного параметра при регулировке характеристик излучения света. Кроме того, такая смешанная кристаллизация облегчает релаксацию правила отбора волнового числа на время изготовления сверхмелкозернистых частиц, или облегчает появление излучательной рекомбинации.

Подходящим является то, что смешанный материал получается с помощью операции смешивания механического смешивания многочисленных типов частиц начального ряда и операции спекания смешанных частиц при помощи горячего прессования.

С помощью первого материала мишени, который является полупроводником группы II-VI или полупроводником группы III-V, способ лазерной абляции представляет в основном процесс, который не зависит сильно от точки плавления элемента мишени или давления испарения для того, чтобы можно было изготовить эти полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы с поддерживаемым стехиометрическим составом.

Кроме того, можно выполнить операцию введения примеси p-типа проводимости и примеси n-типа проводимости в полупроводниковый слой, сформированный при помощи сверхмелкозернистых частиц, собранных на подложке для напыления для того, чтобы получить в слое полупроводника p-n-переход. B этом случае примесь n-типа проводимости и примесь p-типа проводимости, которые будут вводиться в полупроводниковый слой, можно вводить на различные глубины диффузии, чтобы можно было сформировать p-n переход в необходимом положении.

Подходящим является то, что второй материал мишени является прозрачным проводящим материалом или диэлектрическим материалом.

Кроме того, на подложке можно выполнить операцию окисления поверхности оптоэлектронного материала. Эта структура устраняет поверхностный слой, в котором кристаллический дефект или примесь смешивается и улучшает кристаллическую структуру и чистоту. Подходящим является то, что шаг окисления в операции окисления, сверхмелкозернистые

частицы, которые получаются в операции воздушной ассоциации, подвергаются тепловой обработке в среде газа, который содержит кислород, чтобы таким образом покрыть поверхности сверхмелкозернистых частиц термической окисной пленкой. Подходящим также является то, что тепловая обработка в неокисляющей окружающей среде при температуре выше, чем температура во время образования термической окисной пленки, в операции покрытия выполняется перед образованием термической окисной пленки, которая позволяет более полно восстановить кристаллическую структуру сверхмелкозернистых частиц.

Настоящее изобретение предусматривает оптоэлектронный материал, изготовленный при помощи вышеописанного способа изготовления оптоэлектронного материала. Эта структура позволяет получить материал с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами с управляемым размером сверхмелкозернистых частиц. Настоящее изобретение также предусматривает слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами или слой оптоэлектронного материла, образованный из оптоэлектронного материала, который изготовлен при помощи вышеописанного способа изготовления оптоэлектронного материала. Эта структура позволяет получить материал с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами с управляемым размером сверхмелкозернистых частиц.

Настоящее изобретение предусматривает светоизлучающее устройство, слои оптоэлектронного материала которого содержaт оптоэлектронный материал, который получают при помощи вышеописанного способа. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает монохромное устройство отображения или цветное устройство отображения, которое включает в себя упомянутое светоизлучающее устройство. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает портативное устройство отображения, которое имеет упомянутое устройство отображения.

Настоящее изобретение предусматривает оптоэлектронное преобразовательное устройство, слой электронного материала которого содержит вышеупомянутый оптоэлектронный материал. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает детектор ультрафиолетового излучения и датчик синего цвета, каждый из которых содержит упомянутое оптоэлектронное преобразовательное устройство. Кроме того, настоящее изобретение относится к датчику цвета, который содержит упомянутое оптоэлектронное преобразовательное устройство.

Кроме того, настоящее изобретение предусматривает полупроводниковое устройство в монолитном интегральном исполнении, которое имеет по меньшей мере одно или несколько из вышеупомянутых светоизлучающих устройств, устройство отображения, оптоэлектронное преобразовательное устройство, детектор ультрафиолетового излучения, датчик синего цвета и датчик цвета.

Первый вариант осуществления.

Основная структура светоизлучающего устройства, которое использует оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению, будет подробно описана ниже в качестве первого варианта осуществления со ссылками на фиг. 1-5.

Согласно настоящему варианту осуществления в описании будет приведено электролюминесцентное (EL) устройство, в котором светоизлучающая (активная область) представляет собой слой оптоэлектронного материала, который имеет сверхмелкозернистые частицы Si, обычно один из полупроводников группы IV со своей поверхностью, покрытой своей собственной термической окисной пленкой, которая диспергирована по существу в однородную прозрачную среду с управляемой проводимостью или диэлектрической постоянной.

В настоящем варианте осуществления и последующих вариантах осуществления "по существу однородная среда" означает электрические свойства среды, в частности проводимость, которая является приблизительно однородной в среде. То есть сверхмелкозернистые частицы, которые будут диспергироваться в среду, представляют собой набор от нескольких десятков до нескольких сотен атомов/молекул, тогда как сама среда состоит из набора (группы) очень маленьких атомов/молекул или нескольких атомов/молекул. Например, это однородная среда получается при помощи образования однородной пленки, которая содержит набор (группу) атомов/молекул, меньших, чем у сверхмелкозернистых частиц или нескольких атомов/молекул, на предварительно заданной подложке или подобной при помощи такого способа, как напыление. В этом случае однородное осаждение группы на подложку можно выполнить с помощью регулировки дифференциального давления в реакционных камерах, например дифференциального давления между реакционной камерой и камерой для напыления, при помощи способа подобного схеме лазерной абляции, который будет описан ниже.

В настоящем изобретении, когда подтверждается, что упаковочные множители материала сверхмелкозернистых частиц в произвольно выбранных мелких областях (содержащих, например, около десяти сверхмелкозернистых частиц) равны, то это означает однородную прозрачную среду с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами. Образование такой однородной прозрачной среды с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами подавляется шириной распределения кинетической энергии электронов, таким образом гарантируя эффективное излучение света.

На фиг. 1 показана структура в поперечном сечении светоизлучающего устройства, использующего оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления. На фиг. 1А позицией 11 обозначена подложка. В качестве этой подложки 11 и одного примера использовалась подложка Si n-типа, имеющая ориентацию плоскости (100), проводимость n-типа с легированием фосфором и специфическое сопротивление 10 Oмcм. Получают изоляционную пленку 12 изолятора, которая является пленкой двуокиси кремния (SiO₂), в качестве одного примера с толщиной 100 нм на верхней поверхности этой Si-подложки n-типа. Эта изоляционная пленка 12 изолятора имеет отверстие 12а с диаметром около 1-2 мм или менее, выполненное на части, которая должна быть светоизлучающей (активной) областью светоизлучающего устройства, при помощи облучения поверхности подложки 11.

Слой 13 оптоэлектронного материала напыляют так, чтобы покрыть по меньшей мере отверстие 12a. Этот слой 13 оптоэлектронного материала, который показан на фиг. 1B, выполнен из сверхмелкозернистых частиц 14 Si, диспергированных в прозрачной среде 15. Сверхмелкозернистые частицы L4 Si имеют по существу сферическую форму, ту же самую кристаллическую структуру, как и объем Si, проводимость n-типа, полученную с помощью легирования фосфором легирования при низкой концентрации, и регулируемый размер частиц приблизительно 3-10 нм. Этот слой напыления со сверхмелкозернистыми частицами имеет толщину приблизительно 150 нм. Кроме того, поверхности сверхмелкозернистых частиц 14 Si покрывают с пленкой SiO₂ (не показано), толщина которой, например, должна быть 3 нм или менее. Так как слой 13 оптоэлектронного материала и подложка 11 имеют n-тип проводимости, то электронный барьер не образуется на границе между ними.

Прозрачная среда 15 представляет собой тонкую однородную пленку, которая имеет высокий коэффициент пропускания в видимой области спектра и имеет управляемую проводимость или диэлектрическую постоянную, и тонкая пленка из окиси олова (SnO₂) используется здесь в качестве одного примера. Это тонкая пленка SnO₂ имеет коэффициент пропускания видимого света более 80%, и ее проводимостью или диэлектрической постоянной можно управлять при помощи регулировки ее условий образования (температура подложки, парциальное давление кислорода и т.д.). Подходящим является то, что специфическое сопротивление среды является приблизительно тем же самым или равным или больше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться. Например, поскольку специфическое сопротивление линий сверхмелкозернистых частиц находится в диапазоне приблизительно 10-10^-3 Омсм благодаря концентрации примесей, то специфическим сопротивлением тонкой пленки SnO₂ можно только управлять в диапазоне приблизительно 10³-10^-2 Омсм в соответствии со специфическим сопротивлением сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться. Такое специфическое сопротивление можно получить при помощи образования тонкой пленки SnO₂ при температуре подложки, находящейся в диапазоне, например, от комнатной температуры до приблизительно 600^oC. Вышеуказанное позволяет получить квантовый эффект удержания носителей в управляемых сверхмелкозернистых частицах.

Желательно, чтобы значение упаковочного множителя сверхмелкозернистых частиц 14 Si в слое 13 оптоэлектронного материала было выше, так как повышается значение интенсивности излучения света, выходящего из внутреннего слоя 13 оптоэлектронного материала. Однако, когда упаковочный множитель материала становится выше или расстояние между сверхмелкозернистыми частицами становится ближе, волновые функции носителей в сверхмелкозернистых частицах становятся шире и носители проникают в прозрачную среду также для того, чтобы перекрытие волновых функций носителей в соседних сверхмелкозернистых частицах становилось больше. Следовательно, уменьшается квантовый эффект удержания носителей в сверхмелкозернистых частицах. Поэтому желательно, чтобы дисперсия могла быть выполнена с помощью расстояний между сверхмелкозернистыми частицами, которые поддерживаются таким способом, чтобы перекрытие квадрата абсолютных значений волновых функций становилось, например, равно или меньше, чем сотовое пиковое значение. Это расстояние равно радиусу r сверхмелкозернистых частиц. В этом случае есть данные того, что сферические сверхмелкозернистые частицы, имеющие радиус полтора r, имеют плотно упакованную структуру, значение упаковочного множителя становится приблизительно равным 22%. В связи с вышеприведенным упаковочный множитель сверхмелкозернистых частиц 14 Si в слое 13 оптоэлектронного материала составлял приблизительно 20%.

Полупрозрачный электрод 16 из платины (Pt) толщиной 10 нм в качестве одного примера контактирует с верхней поверхностью слоя 13 оптоэлектронного материала, образуя так называемый контакт Шоттки (в электрической смысле) со слоем 13 оптоэлектронного материала, который включает в себя прозрачную среду 15 с управляемой проводимостью. Задний электрод 17, изготовленный из серебра (Ag) в качестве первого примера, выполнен на донной поверхности подложки 11 и образует при этом омический контакт (в электрическом смысле) с подложкой 11. Кроме того, тонкую магниевую (Mg) пленку, имеющую толщину около 20 нм, можно выполнить между подложкой 11 и задним электродом 17 для уменьшения высоты электрического барьера на границе. Вместо Pt и Ag электроды 16 и 17 можно выполнить из одного вещества, такого как Mg, индий, алюминий, золото, серебро, вольфрам, молибден, тантал, титан, кобальт, никель и палладий.

Хотя Si используется в качестве материала для сверхмелкозернистых частиц, которые образуют слой оптоэлектронного материала, соответственно используется другой полупроводник группы IV, такой как германий (Ge) или его смешанный кристалл или можно использовать сложный полупроводник группы III-V или группы II-VI. Хотя тонкий слой SnO₂ используется в качестве однородной прозрачной среды, можно также использовать другую тонкую диэлектрическую пленку, имеющую специфическое сопротивление, по существу такое же или большее, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться, такую как тонкая пленка из окиси титана (TiO₂), окиси индия (InO₂), окиси индия-олова (ITO), окись кадмия (CdO), окиси вольфрама (WO₃), окиси цинка (ZnO), окиси магния (MgO), сульфида цинка (ZnS). Если толщина пленки находится в диапазоне, в котором электрическая проводимость возможна за счет туннельного эффекта или перескока, также можно использовать тонкую диэлектрическую пленку из SiO₂, окиси алюминия (Al₂O₃), фторида магния (MgF₂) или фторида кальция (CaF₂).

Хотя сверхмелкозернистые частицы из Si покрываются своей собственной термической окисной пленкой, в этом случае окисная пленка сверхмелкозернистых частиц не является существенной. То есть, когда стандартная энтальпия образования прозрачной среды меньше, чем стандартная энтальпия образования окиси сверхмелкозернистых частиц, образующих слой оптоэлектронного материала, которая означает, что прозрачная среда является более стабильной, окисления не происходит, когда сверхмелкозернистые частицы диспергируются в прозрачной среде, таким образом устраняя необходимость использования окисной пленки. Когда прозрачная среда имеет более высокую стандартную энтальпию образования, с другой стороны, это означает, что окись сверхмелкозернистых частиц является более стабильной. Когда сверхмелкозернистые частицы диспергируются в прозрачную среду, то поверхность сверхмелкозернистых частиц окисляется при уменьшении прозрачной среды. В этом случае, следовательно, предпочтительно, чтобы сверхмелкозернистые частицы могли покрываться окисной пленкой, перед тем как они диспергируются в прозрачной среде.

Особенно типичныe комбинации материалов для сверхмелкозернистых частиц, образующих оптоэлектронный материал и прозрачную среду, представлены в табл. 1. В табл. 1 комбинации А показаны для случая, когда прозрачная среда имеет более низкую стандартную энтальпию образования, так что окисная пленка сверхмелкозернистых частиц необязательна. Для контраста комбинация В показана для случая, когда стандартная энтальпия образования прозрачной среды выше, чем энтальпия окисной пленки сверхмелкозернистых частиц, так что сверхмелкозернистые частицы могут предпочтительно покрываться окисной пленкой.

Рабочие характеристики устройства EL с помощью вышеописанной структуры будут описаны ниже.

Для обеспечения работы устройства EL согласно настоящему варианту осуществления отрицательное напряжение смещения прикладывается к заднему электроду 17 относительно полупрозрачного электрода 16. Это означает, что светоизлучающее устройство этого варианта осуществления работает при прямом смещении.

На фиг. 2 показаны кривые тока в зависимости от напряжения светоизлучающего устройства, в случае когда светоизлучающее устройство, использующее оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления, работает при соблюдении этого условия.

На фиг. 2А изображены вертикальная шкала (ток) и горизонтальная шкала (напряжения) в линейном масштабе; для прикладываемого напряжения по горизонтальной шкале потенциал прямого смещения на переходе Шоттки, образованного на границе между полупрозрачным электродом 16 и слоем 13 оптоэлектронного материала, на фиг. 1 выбран на графике в качестве положительного направления. На фиг. 2А показана сильная характеристика выпрямления при помощи перехода Шоттки, образованного на границе между полупрозрачным электродом 16 и слоем 13 оптоэлектронного материала. Внешнее последовательное сопротивление светоизлучающего устройства в целом, которое оценивается через экстраполяцию на стороне с высоким значением тока во время подачи прямого напряжения смещения, приблизительно равно 400 Ом.

На фиг. 2В показана только вертикальная шкала (ток) в логарифмическом масштабе и горизонтальная шкала (напряжение) в линейном масштабе с прямым потенциалом смещения на переходе Шоттки, который на графике выбран в качестве положительного направления. По наклону этой зависимости на этом чертеже определяется значение идеального множителя n перехода Шоттки. Однако очевидно, что значение n светоизлучающего устройства согласно настоящему варианту осуществления зависит от прикладываемого напряжения, то есть 1,8, в случае когда прикладываемое напряжение составляет 0,2 В или менее, и увеличивается приблизительно до 15 для более высокой области значений. В общем высокое значение n значительно больше 1 означает, что плотность уровня границы является высокой, и они заряжаются. С этой точки зрения также видно, что устройство EL согласно настоящему варианту осуществления изобретения испускает свет, когда прикладывается прямое напряжение смещения к переходу Шоттки, который образуется на границе между полупрозрачным электродом 16 и слоем 13 оптоэлектронного материала.

На фиг. 3 представлена кривая интенсивности излучения в зависимости от тока устройства EL, который протекает в оптоэлектронном материале согласно настоящему варианту осуществления. На чертеже вертикальная шкала (интенсивность излучения) и горизонтальная шкала (ток) показаны в логарифмическом масштабе. Из фиг. 3 понятно, что излучение света начинается в случае, когда плотность тока при прямом напряжения смещения составляет 30 мА/см² (в этом случае прямое напряжение смещения равно приблизительно 7,0 В), после которого интенсивность излучения монотонно увеличивается с увеличением тока при прямом напряжении смещения. То есть интенсивность I_EL и ток при прямом напряжении смещения j выражаются следующим уравнением:



Интенсивность излучения, пропорциональная степени 3,5 тока прямого смещения, означает, что зависимость интенсивности излучения от тока прямого смещения является очень сильной, что является новым результатом, который не наблюдался во всех известных светоизлучающих устройствах, имеющих кристаллический Si в качестве активного слоя. В устройстве EL, который имеет слой пористого Si в качестве активной области, например, как обсуждалось в начале описания, в основном интенсивность излучения увеличивается только пропорционально току прямого смещения (на чертеже штриховые линии). Сильная зависимость интенсивности излучения от тока прямого смещения означает, что светоизлучающее устройство отображения - с большим динамическим диапазоном, то есть можно реализовать высокое отношение контраста и высокое качество.

На фиг. 4 показана кривая интенсивности излучения электролюминесцентного устройства (EL) в зависимости от скважности согласно настоящему варианту осуществления. На чертеже вертикальная шкала (интенсивность излучения) и горизонтальная шкала (скважность) показаны в логарифмическом масштабе. Приложенное напряжение к электролюминесцентному устройству (EL) имело длительность импульса 20 мкс и значение напряжения 32 В, и скважность изменялась от 0,25 до 100% (по постоянному току) при изменении частоты. Из фиг. 4 видно, что интенсивность излучения уменьшается пропорционально уменьшению скважности. Этот результат показывает, что эффективность излучения света является постоянной величиной. Другими словами, можно сказать, что электролюминeсцентное устройство EL согласно настоящему варианту осуществления слабо влияет на теплоту, которая образуется внутри устройства EL. Поскольку ту же самую эффективность излучения света, как и для постоянного тока, можно получить даже в случае, когда устройство EL возбуждается импульсом с длительностью 20 мкс или менее, при этом можно утверждать, что устройство имеет скорость срабатывания на уровне порядка микросекунды или менее.

На фиг. 5 показан спектр (кривые интенсивности излучения в зависимости от энергии фотонов) как фотолюминесценции (PL), так и электролюминeсцентного устройства EL, использующего оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению. Возбуждение фотолюминесценции проводилось с использованием аргонового ионного лазера (Аr⁺) с энергией фотонов 2,54 эВ и мощностью 10 мВт непосредственно и с помощью облучения лазерным лучом слоя оптоэлектронного материала, который затем становится активным слоем. Условиями возбуждения для электролюминесценции являлись мощность инжектирования от 0,55 до 1,10 Вт для слоя оптоэлектронного материала и круглой люминесцентной активной области (3,110^-2 см²).

На фиг. 5 показано, что фотолюминесценция имеет спектр с главным пиком на 2,10 эВ (зеленый) и дополнительным пиком на 1,65 эВ (красный), тогда как электролюминесценция имеет широкий спектр люминесценции с пиком 1,65 эВ (красный). Положение пика спектра электролюминесценции сдвигается в сторону с более низкой энергией, поскольку мощность инжекции в электролюминесцентном устройстве увеличивается.

Результаты показывают, что принцип излучения света электролюминесцентного устройства, в котором используется оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления не основан на излучении черного тела. Это происходит потому, что пик излучения сдвигается в сторону с более высокой энергией, так как температура увеличивается при излучении черного тела, между тем, как упоминалось выше, он сдвигается в сторону с более низкой энергией, когда мощность инжекции возрастает (то есть температура повышается) в этом варианте осуществления. Кроме того, когда черное тело излучает свет, имеющий пик на 1,65 эВ, температура оценивается на уровне 3800 К, однако в настоящем варианте осуществления температура не может достигать таких высоких значений.

Очевидно, что принцип работы светоизлучающего устройства согласно настоящему варианту осуществления который оказывает вышеупомянутые результаты, объясняется в следующем виде. Во-первых, горячие электроны, которые ускоряются под действием приложенного прямого напряжения смещения, вводятся в слой 13 оптоэлектронного материала. Инжектированные горячие электроны, когда достигают сердцевины сверхмелкозернистых частиц 14 Si, возбуждают электронно-дырочные пары при помощи ударной ионизации. Квантовая эффективность в этом процессе возбуждения достигает приблизительно 1,1 в случае, когда энергия инжектированных электронов составляет 4,0 эВ и повышается при дополнительном увеличении энергии.

Электроны, однажды инжектированные, или электронно-дырочные пары, однажды возбужденные, удерживаются внутри сверхмелкозернистых частиц 14 Si на границе между сверхмелкозернистыми частицами 14 Si и пленкой SiО₂, образованной на своих поверхностях или на прозрачной среде 15 для того, чтобы в дальнейшем генерировать электронно-дырочные пары при приложенной энергии напряжения в сверхмелкозернистых частицах 14 Si. То есть имеет место так называемое явление умножения, которое приводит к генерации многочисленных возбужденных электронно-дырочных пар. Поэтому явление излучения света с сильной зависимостью интенсивности излучения от тока прямого смещения возникает за счет явления рекомбинации вблизи излучательной рекомбинации, связанной с возбужденными электронно-дырочными парами, которые поддерживают генерацию в таком способе умножения.

Кроме того, поскольку сверхмелкозернистые частицы 14 Si мишени имеют сферическую форму порядка нанометра согласно настоящего варианту осуществления, то становится короткой средняя длина свободной траектории электронов или возбужденных электронно-дырочных пар, которые удерживаются в сверхмелкозернистых частицах 14, которые, по-видимому, могут генерировать возбужденные электронно-дырочные пары более эффективно при ударной ионизации.

В электролюминесцентном устройстве, имеющем пористый Si в качестве активного слоя, как описано выше, в основном возбужденные электронно-дырочные пары генерируются только за счет инжекции отрицательных носителей в p-n переходе, и число возбужденных электронно-дырочных пар пропорционально току инжекции. Следовательно, интенсивность излучения также пропорциональна току инжекции. Согласно настоящему уровню техники пористый Si действительно имеет линейную форму, хотя он и имеет мелкозернистую структуру порядка нанометра, средняя длина свободной траектории носителей во время дрейфа в пористый Si является относительно длинной, что неблагоприятно влияет на эффективность генерации возбужденных электронно-дырочных пар.

Кроме того, как показано на фиг. 5, причину того, почему фотолюминесцентный спектр PL и электролюминесцентный спектр не согласуются друг с другом, можно объяснить следующим. При ударной ионизации и генерации возбужденных электронно-дырочных пар при помощи умножения в электролюминесцентном процессе EL горячие электроны будут инжектироваться, чтобы иметь значительно более высокую энергию, чем в запрещенной зоне (1,1 эВ) Si (приложенное напряжение составляет 26-32 В при условиях возбуждения, фиг. 5), для того чтобы переход к более высокой энергии (так называемый более высокий межзонный переход) становился возможным даже в зоне проводимости. Это вызывает не только излучательную рекомбинацию при минимальной запрещенной зоне, но также излучательную рекомбинацию, которая имеет более высокую разность энергии, которая, по-видимому, в дальнейшем увеличивает ширину спектра люминесценции.

В отношении фотолюминeсценции (PL) для сравнения энергия инжектируемых фотонов составляет 2,54 эВ и является относительно низкой. Таким образом, существует низкая вероятность возникновения более высокого межзонного перехода, который, по-видимому, делает ширину спектра люминесценции уже, чем спектр электролюминeсценции.

Кроме того, при электролюминeсценции ударная ионизация за счет инжектированных электронов имеет место в сердцевине сверхмелкозернистых частиц 14 Si вблизи поверхности сверхмелкозернистых частиц Si. Хотя процесс возбуждения является в значительной степени чувствительным к состоянию границы раздела, нельзя ожидать, что возбуждение электронно-дырочных пар то же самое и для объема из-за присутствия многих поверхностных уровней, заряженных на границе раздела; кажется, что эффективность возбуждения особенно на стороне с высокой энергией падает.

Для фотолюминeсценции (PL) для сравнения считается, что возбужденный свет приблизительно с той же самой интенсивностью проникает внутрь сверхмелкозернистых частиц Si благодаря большому коэффициенту поглощения во время облучения возбужденным светом с энергией, равной 2,54 эB, и оценивается, что электронно-дырочные пары возбуждаются, как и объем, превышающий приблизительно целые сверхмелкозернистыe частицы 14 Si, включая и их центры так, чтобы не падала эффективность возбуждения на стороне с высокой энергией.

В структуре светоизлучающего устройства, использующего оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления, можно получить в слое 13 оптоэлектронного материала p-n переход. На фиг. 1С в качестве одного примера показана структура в поперечном сечении светоизлучающего устройства с p-n переходом.

На фиг. 1С показано, что подложка Si p-типа проводимости, которая имеет ориентацию плоскости (100) и проводимость p-типа, полученную при легировании бором, и в качестве одного примера использовалась подложка 19 со специфическим сопротивлением 10 Омсм. Слой 1010 оптоэлектронного материала p-типа проводимости наносится на верхнюю поверхность этой подложки 19 Si p-типа проводимости. Этот слой 1010 оптоэлектронного материала p-типа проводимости образуется с помощью сверхмелкозернистых частиц 1011 Si, диспергированных в прозрачную среду 1012. Сверхмелкозернистые частицы 1011 Si имеют в основном сферическую форму, подобную кристаллической структуре как объем Si, проводимость p-типа, полученную при легировании бором с низкой концентрацией, и размер регулируемых частиц приблизительно 3-10 нм. Кроме того, тонкая пленка SiO₂ используется в качестве одного примера прозрачной среды 1012, и упаковочный множитель материала сверхмелкозернистых частиц 1011 Si составляет приблизительно 20%. Этот слой напыления со сверхмелкозернистыми частицами p-типа проводимости имеет толщину около 100 нм. Так как слой 1010 оптоэлектронного материала p-типа проводимости и подложки 19 имеют p-типа проводимости, то на границе между ними образуется неэлектронный барьер.

Затем наносится слой 1013 оптоэлектронного материала n-типа проводимости, находящийся в контакте со слоем 1010 оптоэлектронного материала p-типа проводимости. Этот слой 1013 оптоэлектронного материала n-типа проводимости имеет ту же самую структуру, как и слой 13 оптоэлектронного материала, который показан на фиг. 1А, и имеет толщину приблизительно 50 нм. Когда нанесение этого слоя оптоэлектронного материала n-типа проводимости завершается, вводят бор при помощи ионной инжекции для того, чтобы создать легированный слой n-типа проводимости с высокой концентрацией. Условиями инжекции ионов являются энергия ускорения 20 кэВ и доза 510¹⁵ см^-2.

Кроме того, полупрозрачный электрод 1014, изготовленный из Ag с толщиной 10 нм, в качестве одного примера находится в контакте с верхней поверхностью слоя 1013 оптоэлектронного материала n-типа проводимости, формируя при этом так называемый омический контакт (в электрическом смысле) со слоем 1013 оптоэлектронного материала n-типа проводимости. Задний электрод 1015, изготовленный из Ag, выполняют на донной поверхности подложки 19, формируя при этом омический контакт (в электрическом смысле) с подложкой 19. Кроме того, тонкую пленку Mg с толщиной приблизительно 20 нм можно выполнить между слоем 1013 оптоэлектронного материала n-типа проводимости и полупрозрачным электродом 1014 и между подложкой 19 и задним электродом 1015 для того, чтобы уменьшить высоту электрических барьеров на границах раздела. Электроды 1014 и 1015 можно изготовить вместо Ag из Mg, индия, алюминия, золота, платины, вольфрама, молибдена, тантала, титана, кобальта, никеля, палладия и т.п.

Полупрозрачный электрод 1014 и задний электрод 1015 подсоединяются к источнику питания, так как это требуется, при помощи проводников или подобных средств через проводящую пасту 1016 или подобное.

С вышеописанной структурой, когда прикладывается прямое напряжение смещения (полупрозрачный электрод 1014 является отрицательным по отношению к заднему электроду 1015), отрицательные носители взаимно инжектируются подобно электронам из области n-типа проводимости высокой концентрацией в область p-типа проводимости с низкой концентрацией и дырки из области p-типа проводимости с низкой концентрацией в область n-типа проводимости с высокой концентрацией. Этот p-n переход является более эффективным при получении генерации электронно-дырочных пар, чем предыдущие структуры, которые позволяют получить инжекцию только электронов через переход Шоттки.

Ниже будет приведено описание для того, как управлять длиной волны люминесценции (энергией фотонов) светоизлучающего устройства с использованием оптоэлектронного материала согласно настоящему варианту осуществления в видимом диапазоне спектра. Во-первых, первая схема позволяет регулировать размер частиц (размер) сердцевины сверхмелкозернистых частиц 14 Si, и энергия запрещенной зоны и связанная с ней энергия излучаемых фотонов непосредственно изменяются за счет квантового эффекта удержания, который происходит в это же время. Чтобы получить квантовый эффект удержания, ориентировочный размер сверхмелкозернистых частиц составляет около двух длин волн де Бройля. В табл. 2 показаны длины волны де Бройля полупроводниковых материалов для сверхмелкозернистых частиц и размеров частиц (диаметров), которые приведут к квантовому эффекту удержания. Как видно из табл. 2, диаметр сверхмелкозернистых частиц Si должен составлять 5 нм или менее для того, чтобы получить квантовый эффект удержания с использованием, например, Si.

На фиг. 6A изображена энергия запрещенной зоны различных типов сверхмелкозернистых частиц полупроводника, которые получены теоретически на основе квантового эффекта удержания в области, в которой является удовлетворительной аппроксимация эффективной массы. Из этого чертежа видно, что размеры частиц, приведенные в табл. 2, будут выбираться для обеспечения излучения света в видимом диапазоне спектра

На фиг. 6В изображена энергия запрещенной зоны сферических сверхмелкозернистых частиц Si, Ge и Si-Ge, которые вычислены теоретически на основе квантового эффекта удержания в области, в которой аппроксимация эффективной массы является удовлетворительной. Из этого чертежа видно, что излучение света трех основных цветов (RGB) (КЗС), например, можно выполнить с помощью сверхмелкозернистых частиц Si на простой подложке за счет управления размером частиц в диапазоне от 2,8 до 4,0 нм. То есть красный свет можно излучать с диаметром 4,0 нм, зеленый свет с диаметром 3,2 нм.

Диаметр 2,8 нм соответствует синему цвету, но на практике очень трудно управлять размером диаметра в диапазоне 2 нм. Более того, как упоминалось выше, эффективность возбуждения электронно-дырочных пар при ударной ионизации становится более низкой с повышением энергии. Кроме того, отношение поверхностных атомов сверхмелкозернистых частиц к диаметру в диапазоне 2 нм достигает приблизительно 70%, так что нельзя пренебречь поверхностными дефектами и влиянием полученного в результате поверхностного уровня. Поэтому можно сказать, что генерация синего света при помощи квантового эффекта удержания в сверхмелкозернистых частицах 14 Si не является простой.

С точки зрения вышесказанного, для того чтобы осуществить генерацию светового излучения синего цвета с помощью сверхмелкозернистых частиц 14 Si, использующихся в качестве активного светоизлучающего слоя, было бы эффективным в качестве второй схемы восстановить молекулярное размещение поверхностной окисной пленки на границе между сверхмелкозернистыми частицами 14 Si и поверхностной окисной пленкой, и сформировать центр люминесценции, соответствующий энергии фотонов синего света. Более конкретно, эмиссия синего света становится возможной при помощи формирования самой верхней поверхности сверхмелкозернистых частиц 14, чтобы иметь цепеобразную структуру полисилоксана (цепеобразный скелет полисилана).

В случае сложного полупроводника энергией излучаемых фотонов можно управлять при помощи восстановления молекулярным размещением окисной пленки, если сверхмелкозернистые частицы сложного полупроводника могут окисляться, и другой тип диэлектрической пленки, если окисление невозможно.

Второй вариант осуществления.

Основная структура другого светоизлучающего устройства, в котором используется оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению, описывается ниже в качестве второго варианта осуществления со ссылками на фиг. 7.

На фиг. 7 показана структура в поперечном сечении светоизлучающего устройства согласно настоящему варианту осуществления. В качестве одного примера (фиг. 7) на поверхности монокристаллической подложки 71 Si выполнен слой 72 силицида вольфрама толщиной 50 нм, который также показан в качестве одного примера, который является нижним электродом. На слое силицида вольфрама 72 сформирован диэлектрический слой (SiO₂) 74 с толщиной 50 нм, в котором полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы группы IV с управляемыми размерами частиц на уровне порядка нанометра диспергируются в смешанный кристалл SiGe (Si_0,2,Ge_0,3) 73 с молярным отношением 0,2:0,8. Приклеенный к верхней части диэлектрического слоя 74 с полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами 73, диспергированными в нем, представляет собой слой 75 окиси индия-олова (ITO) с толщиной 150 нм, который показан в качестве одного примера верхнего прозрачного электрода, с коэффициентом пропускания видимого света 90% или более. Состав этого ITO представляет собой In₂O₃ - (около 10 моль%) SnO₂.

Хотя слой 72 силицида вольфрама служит в качестве части с низким сопротивлением нижнего электрода, и отражающий слой для обеспечения дальнейшего отражения светового пучка, который генерируется полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами, силицид титана также можно использовать, если приоритетом является более низкое сопротивление. Если низкое сопротивление электрода и прямое отражение света не требуются слишком большими, то поверхность подложки 71 Si можно выполнить в качестве диффузионного слоя с n-типом проводимости и высокой концентрацией, который может служить в качестве нижнего электрода. Эта структура является эффективной с точки зрения стоимости изготовления.

Кроме того, окись алюминия (Al₂O₃) или подобные материалы можно использовать в качестве диэлектрического материала.

Более того, тонкую магниевую (Mg) пленку, которая имеет толщину приблизительно 20 нм, можно выполнить в середине слоя 72 силицида вольфрама и диэлектрическом слое 74 с диспергированными полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами для уменьшения высоты электрического барьера на границе раздела (металлический электрод/окись). Это является эффективным при эффективном выполнении инжекции носителей с наведенным туннельным эффектом электронов в окисной пленке (здесь диэлектрический слой 74 с диспергированными полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами).

Светоизлучающее устройство, имеющее свойство пропускания света, получается с использованием прозрачной или полупрозрачной тонкой пленки в качестве нижнего электрода, в случае которого желательно использовать материал, имеющий коэффициент пропускания видимого света ниже, чем у верхнего электрода.

Ниже будет приведено описание работы светоизлучающего устройства, которое имеет вышеописанную структуру. Во-первых, слой 74 силицида вольфрама нижнего электрода заземляется, и на пленку 75 ITO, которая используется в качестве верхнего прозрачного электрода, подается напряжение 12,0 В от положительного источника напряжения (не показан). В это же время прикладывается электрическое поле с интенсивностью приблизительно 10⁶ В/см (по среднему значению) к части SiO₂ диэлектрического слоя 74 с диспергированными полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами. Обычно напряжение пробоя изоляции пленки SiO₂ составляет приблизительно 10⁷ В/см, и интенсивность поля 10% от этого значения, при этом имеет место инжекция с наведенным туннельным эффектом электронных носителей и электрическая проводимость. Электроны в пленке SiO₂ ускоряются для того, чтобы повысить свою кинетическую энергию, которая, однако, начинает рассеиваться благодаря взаимному влиянию акустических фотонов. Поэтому повышение кинетической энергии имеет тенденцию к насыщению и стабилизации.

Необходимое расстояние пробега при ускорении электронов и насыщении скорости при интенсивности приблизительно 10⁶ В/см составляет около 10 нм, среднекинетическая энергия электронов пленки SiO₂ при каждой интенсивности поля составляет приблизительно 2,0 эВ при 2,010⁶ В/см, 3,0 эВ при 5,010⁶ В/см и 4,0 эВ при 8,010⁶ В/см. Распределение кинетической энергии после насыщения скорости имеет тенденцию становиться шире, так как интенсивность поля увеличивается и имеет, в частности, тенденцию вытягиваться к краю в сторону увеличения энергии.

Ниже приводится описание явления, когда электроны, распространяющиеся в пленке SiO₂ диэлектрического слоя 74 с диспергированными полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами, таким способом соударяются с поверхностью полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц 73 группы IV.

Допустим, что в качестве полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц группы IV используются кристаллы Si, Ge или смешанный кристалл Si-Ge, при этом энергия запрещенной зоны (Eg) составляет в максимуме 1,10 эВ для Si. Поскольку электроны, которые ускоряются на расстоянии распространения 10 нм или более при интенсивности поля порядка 10⁶ В/см, имеют кинетическую энергию 2,0 эВ или более, как упоминалось выше, то можно полностью возбудить электронно-дырочные пары на поверхности Si при помощи ударной ионизации. Квантовая эффективность g"" (число генерируемых электронно-дырочных пар/число соударяющихся электронов) в этом процессе составляет около 0,1 при средней кинетической энергии электронов E_av = 2,0 эВ, но она значительно увеличивается, так как возрастает E и достигает q""=l,0 при E_av = 4,0 эВ и q"" = 2,0 при E_av = 8,0 эВ. Такие возбужденные электронно-дырочные пары, которые излучают свет, в соответствии с энергией запрещенной зоны Eg в процессе рекомбинации, при которой подтверждается работа светоизлучающего устройства согласно настоящему варианту осуществления.

Так как полупроводник группы IV является по своей природе типом с непрямым переходом, то присутствие фотона является существенным в межзонном переходе. В процессе рекомбинации неизбежно вырабатывается много тепла, и вероятность излучательной рекомбинации очень мала. Однако сверхмелкозернистые частицы с размером частиц порядка нескольких нанометров в этом варианте осуществления будут иметь такие эффекты, как релаксация правила отбора волнового числа и увеличение амплитуды осциллятора в межзонном переходе. Это увеличивает вероятность появления излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар, что позволяет, таким образом, получить сильную эмиссию света.

Кроме того, изменяется зонная структура благодаря смешанной кристаллизации, так как происходят изменения формы в координатах энергия (Е) - волновое число (k), а также изменение значения поглощенной конечной энергии, таким образом облегчая релаксацию правила отбора волнового числа во время формирования сверхмелкозернистых частиц, то есть существует эффект получения более легкой излучательной рекомбинации. То есть, по нашему мнению, так как дно зоны проводимости находится рядом с точкой X в координатах энергия - волновое число для простого вещества Si и дно зоны проводимости находится рядом с точкой L для простого вещества Ge, тогда как дно зоны проводимости (точка минимума энергии) получается посредине точек X и L в случае смешанного кристалла Si-Ge, и когда отношение состава равно Si_0,2Ge_0,2, в частности минимальная энергия зоны проводимости получается рядом с точкой Г (максимальная энергия валентной зоны). Управление по длине волны люминесценции (энергия люминесцентных фотонов) необходимо выполнять с использованием явления увеличения энергии Eg запрещенной зоны благодаря квантовому эффекту удержания, который изображен в первом варианте осуществления (см. фиг. 6) настоящего изобретения.

Характерно, что требуемую длину волны люминесценции можно получить при помощи регулировки размеров частиц полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц 73 группы IV. Для смешанного кристалла Si-Ge можно использовать изменение энергии Eg запрещенной зоны при помощи отношения состава. Что касается сверхмелкозернистых частиц смешанного кристалла Si-Ge, то отношение состава дает кривую характеристики между кривыми для простого вещества Si и простого вещества Ge (фиг. 6). Сверхмелкозернистые частицы смешанного кристалла Si-Ge с молярным отношением состава Si_0,2Ge_0,8, которое обычно используется в настоящем варианте осуществления, представляют зависимость размера частиц от энергии запрещенной зоны (фиг. 6).

Так как внутренняя квантовая эффективность q" (число излученных фотонов/число электронно-дырочных пар) составляет около 0,5%, если использование при приблизительно E = 4,0 эВ и g"" = 1,0 является стандартным условием работы устройства, то значение внешней квантовой эффективности g = q"q"" гарантированно составляет около 0,5%.

Конечно, в качестве оптоэлектронного материала можно использовать простое вещество или смешанное другое вещество с другим типом или другим отношением состава. Например, можно также использовать состав группы III-V, такой как арсенид галлия (Ga-As), который является типом полупроводника с прямым переходом, или состав группы II-VI, такой как сульфид кадмия (CdS).

Хотя допускается использование SiO₂ (энергия запрещенной зоны составляет 9 эВ) для диэлектрического слоя 74 с диспергированными полупроводниковыми сверхмелкозернистыми частицами, прикладываемое напряжение около 12,0 В ограничивает получаемую плотность тока. Если плотность инжектируемых электронов или интенсивность излучения имеет приоритет, следовательно, представляется эффективным удаление прозрачной проводящей тонкой пленки, которая имеет специфическое сопротивление, по существу такое же или больше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут

диспергироваться, такой как тонкая пленка проводящего прозрачного материала, окись олова (SnO₂), окись титана (TiO₂) или окись индия (InO₂).

Третий вариант осуществления.

Структура монохромного устройства отображения согласно настоящему варианту осуществления будет описана ниже в качестве третьего варианта осуществления со ссылками на фиг. 8.

Фиг. 8 изображает структуру в поперечном сечении одной части пикселя (часть единичного пикселя) монохромного устройства отображения согласно настоящему варианту осуществления, ее эквивалентную схему и схему решетки пикселей. На фиг. 8А показано светоизлучающее устройство, подобное тому, которое использовалось во втором варианте осуществления как устройство 81 для одного пикселя монохромного устройства отображения. Конечно, также можно использовать светоизлучающее устройство, которое описано в части первого варианта осуществления.

Тонкая пленка ITO, имеющая коэффициент пропускания видимого света 90% или более используется для верхнего электрода 83, и тонкая пленка из силицида вольфрама используется для нижнего электрода 84 для того, чтобы улучшить прямое отражение люминесцентной энергии и обеспечить низкое сопротивление. В светоизлучающем устройстве первого варианта осуществления полупрозрачный электрод 16 соответствует верхнему электроду 83 и задний электрод 17 соответствует нижнему электроду 84. Эквивалентную схему можно рассматривать как конденсатор и резистор, соединенные параллельно, как показано на фиг. 8В.

Для полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц группы IV используется смешанный кристалл Si-Ge с отношением состава Si : Ge = 0,2 : 0,8, и средний размер частиц составляет 4,2 нм. В светоизлучающем устройстве согласно первому варианту осуществления должен использоваться свой оптоэлектронный материал. Энергия запрещенной зоны составляет 2,27 эВ (см. фиг. 6) и соответствует чистому зеленому свету.

Затем подготавливается панель монохромного устройства отображения, которая образована при помощи регулярного размещения вышеупомянутых пикселей в виде решетки в виде матрицы (фиг. 8С).

Согласно настоящему варианту осуществления мультиплексная система возбуждения, которая действует для возбуждения в общем способом с разделением электродов и способом с разделением во времени, используется в качестве основной системы возбуждения, и для каждого пикселя используется система возбуждения простой матрицы, которая не требует соединения активного устройства. Панель устройства отображения типа матрицы X-Y с такой структурой работает посредством разрешения проводить вентилям в терминалах соединителя, которые прибавляются к одной стороне электрода сканирования (Y) в виде последовательного сканирования, и подавать напряжение выбор/нет выбора, которое соответствует картине устройства отображения и установленному контрасту в другом электроде сигнала (X). Поскольку пиксели устройства отображения согласно настоящему варианту осуществления имеют свойство отсутствия памяти, внутренний экран выполняется при помощи повторения сканирования на стороне электрода сканирования (Y) и накопленного эффекта срабатывания.

Вышеописанный вариант осуществления позволяет выполнить панель монохромного устройства отображения, каждый пиксель которой имеет очень быстрое срабатывание (порядка 1 мкс) и которая излучает чистый зеленый свет, и, таким образом, наиболее подходит для маленького устройства отображения, в частности с размером 2,54 см или менее.

Если необходимо дополнительное улучшение качества изображения, то нет необходимости утверждать, что способ возбуждения активной матрицы, которая имеет драйвер транзистора MOS, который добавляется к каждому пикселю, является эффективным.

Четвертый вариант осуществления.

Структура цветного устройства отображения согласно настоящему изобретению будет описана ниже в качестве четвертого варианта осуществления со ссылками на фиг. 9. Фиг. 9 изображает упрощенную схему структуры одного пикселя (единичное устройство) цветного устройства отображения согласно настоящему варианту осуществления.

Устройство, эквивалентное одному пикселю цветного устройства отображения согласно настоящему варианту осуществления, в основном содержит три типа светоизлучающих устройств, которые имеют ту же самую структуру, как и в первом варианте осуществления или втором варианте осуществления, в качестве одной группы, и их геометрическое расположение выполнено в виде полос.

Тонкая пленка ITO, имеющая коэффициент пропускания видимого света 90% или более, используется для верхнего электрода 92, и тонкая пленка из силицида вольфрама используется для нижнего электрода 93 для того, чтобы улучшить прямое отражение энергии люминeсцентного излучения и обеспечить низкое сопротивление. Когда используется светоизлучающее устройство первого варианта осуществления, корреляция является такой же, как и у описанных в части третьего варианта осуществления.

Согласно настоящему варианту осуществления три типа светоизлучающих устройств, каждый из которых излучает свет одного из трех основных цветов и которые имеют различные средние размеры частиц полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц группы IV, группируются вместе для того, чтобы позволить одному пикселю 91 излучать световые пучки всех трех основных цветов. Эти три вида светоизлучающих устройств являются соответственно светоизлучающим устройством 91R для красного цвета, светоизлучающим устройством 91G для зеленого цвета и светоизлучающим устройством 91B для синего цвета

Для полупроводниковых сверхмелкозернистых частиц группы IV, которые играют основную роль при излучении света, как описано в предыдущем варианте осуществления, используется смешанный кристалл Si-Ge с отношением состава Si: Ge = 0,2: 0,8. Если используется светоизлучающее устройство согласно первому варианту осуществления, то необходимо использовать свой оптоэлектронный материал. Средний размер частицы и энергия люминесцентных фотонов трех видов светоизлучающих устройств, которые образуют один пиксель, составляет 4,8 нм и 1,77 эВ для красного светоизлучающего устройства 91R, 4,2 нм и 2,27 эВ для зеленого светоизлучающего устройства 91G и 3,6 нм и 2,84 эВ для синего светоизлучающего устройства 91B (см. фиг. 6B).

Каждый пиксель 91 цветного устройства отображения, образованный из группы этих трех видов светоизлучающих устройств, размещается на плоскости в виде матрицы, и интенсивность излучения и цвет каждого пикселя регулируется при помощи изменения тока возбуждения каждого из светоизлучающих устройств, которые образуют каждый пиксель. В результате цветное устройство отображения можно выполнить при помощи аддитивной смеси трех основных цветов, которые излучаются из трех видов светоизлучающих устройств.

Кроме того, можно реализовать очень мелкие пиксели 91 цветного устройства отображения, каждый из которых имеет размер от 1 до 100 мкм, по сравнению с известными пикселями цветного устройства отображения. Минимальный размер пикселей устройства отображения ограничен дифракционным пределом. То есть при длине волны видимого света (^*), равной 500 нм, и максимальном значении NA (числовой апертуры) оптической системы, равной 0,5, дифракционный предел (=/NA) составляет 1 мкм.

Хотя полупроводниковый материал группы IV или подобный и диэлектрическое вещество, подобное SiO₂, обсуждались в предыдущем описании конкретных вариантов осуществления, конечно, можно использовать и другие металлы, полупроводники или диэлектрические вещества отдельно или их комбинации, если требуется для соответствующего применения.

Слой оптоэлектронного материала в третьем варианте осуществления или четвертом варианте осуществления описывается как тот, который получают в первом варианте осуществления или втором варианте осуществления, при этом также можно использовать светоизлучающее устройство, использующее слой оптоэлектронного материала, который содержит другие сверхмелкозернистые частицы.

Пятый вариант осуществления.

Основная структура портативного устройства отображения согласно настоящему изобретению, описывается ниже, в качестве пятого варианта осуществления со ссылкой на фиг. 10. На фиг. 10 показана общая схема основной структуры устройства отображения, которое содержит экран 101 устройства отображения, декодер 102 строки и декодер 103 столбца.

Экран 101 устройства отображения имеет пиксели 91 цветного устройства отображения, каждый из которых образован из набора трех видов светоизлучающих устройств (фиг. 9), размещенных на плоскости в виде матрицы и регулирующих интенсивность излучения и цвет каждого пикселя при помощи изменения токов возбуждения отдельных светоизлучающих устройств, которые образуют каждый пиксель в соответствии с сигналами от декодера 102 строки и декодера 103 столбца. В случае монохромного устройства отображения необходимо регулировать только интенсивность излучения.

Так как в таком цветном устройстве отображения используется самосветоизлучающее устройство, которое содержит маленькие пиксели, то можно получить низкие потери мощности и высокое разрешение. В случае устройства отображения с размером приблизительно один дюйм (2,5 см), в котором используется известное устройство отображения с установкой на голове, возможна реализация в цветном устройстве отображения, например свыше миллиона пикселей.

Кроме того, получая вышеуказанную структуру на подложке Si для достижения большой степени интеграции, можно изготовить устройство с толщиной около 1 мм и обеспечить легкую сборку и согласование с существующей технологией LSI для того, чтобы устройство можно было подходяще использовать в качестве портативного устройства отображения.

Шестой вариант осуществления.

HMD (устройство отображения с установкой на голове) в качестве прикладного устройства портативного устройства отображения согласно настоящему изобретению описывается ниже как шестой вариант осуществления со ссылками на фиг. 11 и 12.

На фиг. 11А изображен структурный вид в поперечном сечении HMD, который содержит кожух 111, устройства 112 отображения для правого и левого глаз, который находится в кожухе 111, окулярные оптические системы 113 и часть 114 ремня для крепления кожуха 111 к голове. Изображения для правого и левого глаз от устройств 112 отображения формируются на соответствующих глазах пользователя при помощи окулярных оптических систем 113. На фиг. 11В показан структурный вид в поперечном сечении HMD типа со сквозным видением с двумя полупрозрачными зеркалами 115 и остальное аналогично тому, что показано на фиг. 11А.

Изображение для правого и левого глаз от устройств 112 отображения отражаются при помощи полупрозрачных зеркал 115, направляются в окулярные оптические системы 113 и формируются на соответствующих глазах пользователя. Поскольку внешний свет, который проходит через полупрозрачные зеркала 115, также достигает глаз пользователя, достигается функция сквозного просмотра.

В любом случае использование устройства отображения (фиг. 10) для устройств 112 отображения можно выполнить со снижением размеров и уменьшением веса, и можно выполнить HMD с разрешением, которое более чем в десять раз превышает разрешение NMD, в которых используются известные LCD. Кроме того, можно адаптировать HMD для использования симуляторов полета или подобных систем, которые требуют быстрого срабатывания и высокой надежности.

Если вышеописанное выполняют на прозрачном веществе наподобие стекла, в котором используется светоизлучающее устройство, обладающее прозрачностью, которое получают при использовании прозрачной или полупрозрачной тонкой пленки для нижнего электрода в светоизлучающем устройстве первого варианта осуществления или второго варианта осуществления, при этом можно реализовать устройство отображения типа сквозного просмотра. Использование устройства не требует полупрозрачных зеркал или подобных элементов, и можно сделать HMD типа сквозного просмотра более компактным и легким.

На фиг. 12 изображен общий вид, на котором показан HMD окулярного типа, имеющий при использовании структуру, показанную на фиг. 11А или 11В. Так как конструкция является более компактной и более легкой, то пользователь может носить ее легко и может использовать ее в течение длительного периода времени.

Хотя предшествующее описание приведено по отношению к HMD, которое позволяет обеспечить трехмерное изображение при помощи отображения отдельных левого и правого изображений, также можно реализовать HMD, в котором используется только одно устройство отображения для просмотра изображений обычного телевизора, видео или подобных устройств.

Седьмой вариант осуществления.

Другая структура HMD в качестве специфического устройства применения портативного устройства отображения согласно настоящему изобретению описывается ниже в качестве седьмого варианта осуществления со ссылкой на фиг. 13. На фиг. 13 показан другой структурный вид в поперечном сечении HMD согласно настоящему изобретению, который содержит кожух 131, устройства 132 отображения и окулярные оптические системы 133, которые входят в состав кожуха 111, и часть 134 ремня, которым прикрепляют кожух 131 к голове. Изображения от устройств 132 отображения формируется на глазах пользователя при помощи окулярных оптических систем 133.

С вышеуказанной структурой пользователь может наблюдать вид сзади при направлении линии зрения вперед или вверх для наблюдения вида сзади, и может просматривать изображения устройств отображения с высокой резкостью при сдвиге линии зрения вниз. То есть пользователь может отдельно или одновременно видеть вид сзади и изображения с высокой резкостью от устройства отображения просто при помощи сдвига линии зрения без перемещения головы.

Например, в области медицины передача изображений или подобное предоставление информации хирургу от устройств отображения в течение хирургической операции позволяет хирургу получать информацию без поворота головы, таким образом значительно улучшая эффективность работы и точность. Этот эффект также можно применить при обследовании подобных или мелких частей.

Хотя устройства отображения входят в состав нижней части кожуха в настоящем варианте осуществления, они могут входить в состав верхней части или боковых частей кожуха с почти той же самой функцией в зависимости от направления рабочей мишени.

Использование устройств отображения (фиг. 10) в качестве устройств отображения для электронных словарей позволяет не только уменьшить размеры и вес, но также обеспечить для электронных словарей разрешение в 10 раз больше, чем у известных электронных словарей, использующих LCD. Соответственно можно изобразить объяснение одного слова, которое состоит из нескольких линий с размером существующих электронных словарей и обеспечить настолько легкий просмотр, как и у бумажных словарей.

Хотя HMD и электронный словарь изображены выше в качестве приложений портативного устройства отображения настоящего изобретения, устройство можно, конечно, адаптировать к многочисленным портативным устройствам, таким как портативный видеотелефон и портативный терминал.

Восьмой вариант осуществления.

Основная структура оптоэлектронного преобразовательного устройства, использующая оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению, будет подробно описана ниже в качестве восьмого варианта осуществления со ссылкой на фиг. 14.

Согласно настоящему варианту осуществления, так же как и в первом варианте осуществления, будет приведено описание типа фотодетектора с электродвижущей силой, в котором светоприемная (активная) область представляет собой слой оптоэлектронного материала, имеющего сверхмелкозернистые частицы Si, обычно из полупроводников группы IV, с его поверхностью, покрытой своей собственной термической окисной пленкой, диспергированной по существу в однородную прозрачную среду с управляемой проводимостью или диэлектрической постоянной.

На фиг. 14 показана структура в поперечном сечении оптоэлектронного преобразовательного устройства, использующего оптоэлектронный материал, согласно настоящему варианту осуществления. На фиг. 14 позицией 141 обозначена подложка в качестве одного примера, в которой используется подложка Si с n-типом проводимости, которая имеет ориентацию плоскости (100), проводимость n-типа, полученную при легировании с помощью фосфора и специфическое удельное сопротивление от 0,02 до 0,05 Омсм. Изоляционная пленка 142 изолятора, которая является пленкой SiO₂, в качестве одного примера выполнена с толщиной 100 нм на верхней поверхности этой подложки 141 Si с n-типом проводимости. Эта изоляционная пленка 142 изолятора имеет отверстие 142а с диаметром около 1-10 мм, которое выполнено на части, которая в дальнейшем будет светоприемной (активной) областью оптоэлектронного преобразовательного устройства с помощью облучения поверхности подложки 141.

Слой 143 оптоэлектронного материала напыляется для нанесения покрытия по меньшей мере на отверстие 142а. Как упоминалось ранее, этот слой 143 оптоэлектронкого материала образован из сверхмелкозернистых частиц 144 Si, диспергированных в прозрачной среде 145. Структура этого слоя 143 оптоэлектронного материала является такой же, как у слоя 13 оптоэлектронного материала, который обсуждался в части первого варианта осуществления. То есть сверхмелкозернистые частицы 144 Si имеют по существу сферическую, форму, то же самое строение кристалла, как и объем Si, и проводимость n-типа с легированным фосфором при концентрации приблизительно 10¹⁶ - 10¹⁸ см^-3 с размером частиц, который регулируется приблизительно от 3 до 10 нм. Этот слой 143 оптоэлектронного материала имеет толщину около 150 нм. Кроме того, поверхность сверхмелкозернистых частиц 144 Si покрывают пленкой SiO₂, не показанной на чертеже, толщина которой, например, может составлять 3 нм или менее.

Прозрачная среда 145 является однородной тонкой пленкой, которая имеет высокий коэффициент пропускания в диапазоне видимого света и имеет управляемую проводимость или диэлектрическую постоянную, при этом тонкая пленка SnO₂ используется здесь в качестве примера. Эта тонкая пленка SnO₂ имеет коэффициент пропускания видимого света 80% или выше, и ее проводимостью или диэлектрической постоянной можно управлять при помощи регулировки условий ее образования (температура подложки, парциальное давление кислорода и т.д.). Подходящим является то, что специфическое сопротивление среды является приблизительно таким же или равным, или выше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться. С помощью специфического сопротивления Si, равного 0,02-0,05 Омсм, специфическое сопротивление тонкой пленки SnO₂ составляет здесь 0,1-1 Ом.

Упаковочный множитель сверхмелкозернистых частиц 144 Si в слое 143 оптоэлектронного материала составляет 20% для того, чтобы эффективно выполнить квантовый захват, который упоминался в части первого варианта осуществления, таким образом получая однородные сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в прозрачной среде, как определено в части первого варианта осуществления.

Полупрозрачный электрод 146 Pt с толщиной 10 нм в качестве одного примера находится в контакте с верхней поверхностью слоя 143 оптоэлектронного материала, образуя так называемый переход Шоттки (в электрическом смысле) со слоем 143 оптоэлектронного материала, который включает в себя прозрачную среду 145 с управляемой проводимостью. Задний электрод 146 из Ag в качестве одного примера выполнен на донной поверхности подложки 141, образуя омический контакт (в электрическом смысле) с подложкой 141. Кроме того, тонкую пленку Mg с толщиной около 20 нм можно выполнить между подложкой 141 и задним электродом 147 для уменьшения высоты электрического барьера на границе раздела. Электроды 146 и 147 можно выполнить из одного вещества, такого как Mg, индий, алюминий, золото, вольфрам, молибден, тантал, титан, кобальт, никель и палладий, или подобных веществ вместо Pt и Ag.

Полупрозрачный электрод 146 и задний электрод 147 подсоединяются к источнику питания так, как это необходимо, при помощи проволочных проводников или подобных через проводящую пасту 148 или подобную. Подходящим является то, что светоприемная (активная) область должна избегать как положений полупрозрачного электрода 146, который должен подсоединяться к источнику питания, так и положения проводящей пасты 148.

Хотя в качестве материала для сверхмелкозернистых частиц используется Si, который образует слой оптоэлектронного материала, можно использовать другой полупроводник группы IV, такой как Ge или его смешанный кристалл, который подходит для применения, или сложный полупроводник группы III-V или группы II-VI, так как обсуждалось в части первого варианта осуществления. Хотя тонкая пленка SnO₂ используется в качестве однородной прозрачной среды, также можно использовать другую тонкую проводящую пленку или тонкую диэлектрическую пленку, имеющую специфическое сопротивление, по существу такое же или большее, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться. Например, специфическим сопротивлением сверхмелкозернистых частиц необходимо управлять в диапазоне приблизительно 1-10^-3 Омсм при помощи концентрации примесей, и специфическим сопротивлением прозрачной среды необходимо управлять в диапазоне приблизительно 10²-10^-2 Омсм в соответствии со специфическим сопротивлением сверхмелкозернистых частиц. Хотя сверхмелкозернистые частицы Si покрывают окисной пленкой, окисной пленки можно избежать при помощи комбинации сверхмелкозернистых частиц и прозрачной среды, как показано в табл. 1 в части первого варианта осуществления.

Принцип работы фотодетектора типа с фотоэлектродвижущей силой с вышеописанной структурой будет описан ниже. Сначала для работы фотодетектора, в котором используется оптоэлектронный материал настоящего варианта осуществления, отрицательное смещение DC (постоянный ток) прикладывается к полупрозрачному электроду 146 по отношению к заднему электроду 147. С этой структурой устройства сильная характеристика выпрямления благодаря переходу Шоттки на границе полупрозрачного электрода 146 и слоя 143 оптоэлектронного материала представлена на фиг. 2 в первом варианте осуществления, и это обратное смещение должно приблизительно составлять от нескольких вольт до нескольких десятков вольт.

Когда световой пучок, имеющий более высокую энергию фотонов, чем энергия запрещенной зоны сверхмелкозернистых частиц 144 Si падает на слой 143 оптоэлектронного материала в таком положении, носители электронно-дырочных пар образуются в сверхмелкозернистых частицах 144 Si, и полученные электроны перемещаются по направлению к слою 143 оптоэлектронного материала, а дырки по направлению к полупрозрачному электроду 146. Следовательно, на переходе Шоттки, который образуется при помощи полупрозрачного электрода 146 и слоя 143 оптоэлектронного материала, возникает фотоэлектродвижущая сила. Светоприемная функция обеспечивается за счет детектирования этой фотоэлектродвижущей силы.

С помощью структуры фотодетектора, в котором используется оптоэлектронный материал настоящего варианта осуществления, как обсуждалось в части первого варианта осуществления, представляющей собой верхнюю половину оптоэлектронного материала 143, которая имеет высокую концентрацию n-типа проводимости, и нижнюю его половину, которая имеет низкую концентрацию p-типа проводимости, обеспечивается подобный омическому контакт между слоем 143 оптоэлекторонного материала и электродом 146 полупрозрачного металла, и формируют p-n переход в центре слоя 143 оптоэлектронного материала.

Структура фотодетектора, которая имеет p-n переход в качестве одного примера, будет описана ниже. В качестве подложки использовалась подложка Si p-типа проводимости, имеющая ориентацию плоскости (100), проводимость p-типа с легированием бором и специфическое сопротивление 10 Омсм. Область p-типа проводимости с низкой концентрацией в нижней части слоя оптоэлектронного материала образована при помощи диспергирования сверхмелкозернистых частиц Si в прозрачную среду. Сверхмелкозернистые частицы Si имеют по существу сферическую форму, то же самое строение кристалла, как и объем Si и проводимость p-типа с бором, легированным при низкой концентрации, с размером частиц, которые регулируются приблизительно от 3 до 10 нм. Кроме того, в качестве одного примера прозрачной среды используется тонкая пленка SiO₂, и упаковочный множитель сверхмелкозернистых частиц составляет 20%. Слой с напылением сверхмелкозернистых частиц p-типа проводимости имеет толщину около 100 нм. Поскольку область p-типа с низкой концентрацией и подложка имеют p-тип проводимости, то электрический барьер не образуется на их поверхности.

Область с n-типом проводимости с высокой концентрацией, расположенная в верхней части слоя оптоэлектронного материала, имеет то же самое строение, как и слой 143 оптоэлектронного материала, и ее толщина составляет приблизительно 50 нм. С помощью легирования бором получена высокая концентрация n-типа проводимости, который вводится при помощи ионной инжекции, когда завершается напыление этой области n-типа. Условия ионной инжекции: энергия ускорения - 20 кэВ и доза - 510¹⁵ см^-2.

С вышеуказанной структурой, когда свет, имеющий более высокую энергию фотонов, чем энергия запрещенной зоны сверхмелкозернистых частиц 144 Si, падает на слой 143 оптоэлектронного материала, на которое полается обратное напряжение смещения (полупрозрачный электрод 146 является положительным по отношению к подложке 141), то в сверхмелкозернистых частицах 144 Si генерируются носители электронно-дырочных пар. Отрицательные носители обоюдно ускоряются в слое 143 оптоэлектронного материала, причем электроны по направлению к области с высокой концентрацией с n-типом проводимости, а дырки по направлению к области с высокой концентрацией с p-типом проводимости, таким образом генерируя фотоэлектродвижущую силу в p-n переходе. Этот p-n переход имеет преимущество, связанное с более низким темповым током на структуре перехода Шоттки.

Поскольку энергия запрещенной зоны Si составляет 1,1 эВ (предел длины волны излучения света составляет 100 нм), то объем Si имеет чувствительность приема света почти во всем видимом диапазоне спектра. Ниже будет приведено описание, как контролировать область светоизлучательной длины волны в оптоэлектронном преобразовательном устройстве настоящего варианта осуществления.

Во-первых, первая схема регулирует размер частиц (размер) основного тела сверхмелкозернистых частиц 144 Si и непосредственно изменяет ширину запрещенной зоны при помощи квантового эффекта удержания, который происходит в это время. Размер сверхмелкозернистых частиц, которые осуществляют квантовый эффект удержания, отличается в зависимости от материалов, которые представлены в табл. 2. Для сверхмелкозернистых частиц с простым веществом Si, например, диаметр 4,0 нм составляет для красного света, диаметр 3,2 нм - для зеленого и диаметр 2,8 - для синего в качестве конечной области поглощения (фиг. 6). Поэтому при диаметре сверхмелкозернистых частиц простого вещества Si, равном 3 нм или менее, можно реализовать фотодетектор, имеющий чувствительность по энергии выше, чем в синей области спектра без использования цветного светофильтра.

Однако, как упоминалось в части первого варианта осуществления, действительно, очень трудно управлять диаметром в диапазоне 2 нм. Кроме того, отношение атомов поверхности сверхмелкозернистых частиц с диаметром в диапазоне 2 нм достигает приблизительно 70%, так что нельзя пренебречь поверхностными дефектами и последующим влиянием уровня поверхности.

Поэтому представляется эффективным в качестве второй схемы восстановить молекулярное устройство поверхностной окисной пленки на границе между сверхмелкозернистыми частицами 144 Si и поверхностной окисной пленкой и сформировать центр локального излучения света, соответствующий, например, энергии синих фотонов. Более конкретно, чувствительность приема света в синей области улучшается при конструировании самой верхней поверхности сверхмелкозернистых частиц 144 для того, чтобы иметь цепную структуру полисилоксана (цепной скелет полисилана).

В случае сложного полупроводника областью длин волн принимаемого света можно управлять посредством восстановления молекулярного устройства окисной пленки, если сверхмелкозернистые частицы сложного полупроводника могут окисляться, или молекулярного устройства другого типа диэлектрической пленки, если окисление невозможно.

Детектор ультрафиолетового излучения или датчик синего цвета, содержащий полупроводник группы IV, который не требует светофильтра или подобного элемента, можно конструировать с использованием оптоэлектронного преобразовательного устройства согласно настоящему варианту осуществления, который имеет вышеописанные светоприемные характеристики.

Кроме того, как видно из вышеприведенного описания и предшествующего описания первого варианта осуществления, оптоэлектронное преобразовательное устройстве, использующее оптоэлектронный материал настоящего варианта осуществления имеет функцию фотодетектора. То есть, когда отрицательное напряжение смещения прикладывается к заднему электроду 147 относительно полупрозрачного электрода 146, горячие электроны инжектируются в оптоэлектронный слой 143 материала, таким образом возбуждая электронно-дырочные пары. Возбужденные электронно-дырочные пары начинают излучать свет в соответствии с энергией запрещенной зоны сверхмелкозернистых частиц в процессе рекомбинации. Поэтому можно получить оптоэлектронное преобразовательное устройство, которое может излучать свет и прием с помощью той же самой структуры.

Девятый вариант осуществления.

Основная структура другого оптоэлектронного преобразовательного устройства согласно настоящему изобретению будет подробно описана ниже в качестве девятого варианта осуществления со ссылкой на фиг. 15.

Согласно настоящему варианту осуществления в качестве первого варианта осуществления будет приведено описание фотодетектора фотопроводящего типа, в котором светоприемная активная область представляет собой слой оптоэлектронного материала, имеющий сверхмелкозернистые частицы Si (полупроводник группы IV) с его поверхностью, покрытой своей собственной термической окисной пленкой, диспергированной по существу в однородную прозрачную среду с управляемой проводимостью или диэлектрической постоянной. На фиг. 15 показана структура в поперечном сечении оптоэлектронного преобразовательного устройства, в котором используется оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления. На фиг. 15 позицией 151 обозначена подложка, в качестве одного примера которой использовалась стеклянная подложка. Нижний электрод 152 из Pt в качестве одного примера выполнен на верхней поверхности этой стеклянной подложки 151. Слой 153 оптоэлектронного материала напыляется на верхнюю поверхность этого нижнего электрода 152. Как упоминалось ранее, этот слой 153 оптоэлектронного материала образуется при помощи диспергирования сверхмелкозернистых частиц 145 Si в прозрачную среду 155. Эти сверхмелкозернистые частицы 154 Si имеют по существу сферическую форму, ту же самую кристаллическую структуру, как и объем Si и проводимость n-типа с легированным бором при низкой концентрации, с регулируемым размером частиц приблизительно от 3 до 10 нм. Прозрачная среда 155 является однородной тонкой пленкой, которая имеет высокий коэффициент пропускания в видимой области спектра и имеет управляемую проводимость или диэлектрическую постоянную, и в качестве одного примера используется тонкая пленка SnO₂. Эта тонкая пленка SnO₂ имеет коэффициент пропускания видимого света 80% или выше, и ее проводимостью или диэлектрической постоянной можно управлять при помощи регулировки условий ее образования (температура подложки, парциальное давление кислорода и т.д.).

Так как настоящий вариант осуществления представляет собой фотодетектор фотопроводящего типа, подходящим является то, что сопротивление является максимальным в темном состоянии и уменьшается приблизительно в два раза в ярком состоянии (во время освещения светом). Например, состояние сопротивления должно составлять от сотен до нескольких сотен килоомов в темном состоянии и должно составлять около от 10 до нескольких сотен килоомов во время освещения светом. В качестве одного примера, специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц 154 Si и SnO₂ в качестве прозрачной среды 155 составляет 1 Омсм, и толщина слоя 153 оптоэлектронного материала составляет 100 нм. Сопротивление слоя оптоэлектронного материала с этой структурой в темном состоянии становится приблизительно 100 кОм. Когда свет падает на этот слой оптоэлектронного материала, образуются носители и ускоряются внешним электрическим полем для того, чтобы получить явление эффекта умножения, которое заставляет сопротивление падать до около 10 кОм, хотя принцип работы будет конкретно обсуждаться позже.

Хотя Si используется в качестве материала для сверхмелкозернистых частиц, которые образуют слой оптоэлектронного материала, можно использовать другой полупроводник группы IV, такой как Ge или его смешанный кристалл, который подходит для применения, или сложный полупроводник группы III-V или группы II-VI, как обсуждалось в частях первого и второго вариантов осуществления. Хотя тонкая пленка SnO₂ используется в качестве однородной прозрачной среды, также можно использовать другую тонкую проводящую пленку или тонкую диэлектрическую пленку, имеющую специфическое сопротивление, по существу такое же или больше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться.

Полупрозрачный электрод 156 из Pt, имеющий толщину 10 нм в качестве одного примера, находится в контакте с верхней поверхностью слоя 153 оптоэлектронного материала. Электроды 152 и 156 можно выполнить из Mg, Ag, индия, алюминия, золота, вольфрама, молибдена, тантала, титана, кобальта, никеля и палладия или подобных веществ вместо Pt.

Полупрозрачный электрод 156 и задний электрод 152 подсоединяются к омметру так, как это необходимо, при помощи проволочных проводников или подобных через проводящую пасту или подобную.

Принцип работы фотодетектора фотопроводящего типа с вышеописанной структурой будет описан ниже. Для работы фотодетектора, в котором используется оптоэлектронный материал настоящего варианта осуществления в случае, когда свет падает на слой 153 оптоэлектронного материала, энергия светового пучка поглощается в сверхмелкозернистых частицах 154 Si слоя 153 оптоэлектронного материала, электроны в валентной зоне или уровень доноров возбуждаются в проводящей зонеб и они становятся свободными электронами. Электроны ускоряются при помощи внешнего электрического поля, демонстрируя явление умножения для дальнейшего получения многочисленных свободных электронов, и достигают электрода. В результате внутреннее сопротивление слоя 153 оптоэлектронного материала падает. Светоприемная функция получается при детектировании изменения в этом внутреннем сопротивлении.

Для управления светоприемным диапазоном длин волн в оптоэлектронном преобразовательном устройстве, в котором используется оптоэлектронный материал настоящего изобретения и который обсуждался в части первого варианта осуществления, предусмотрен способ регулировки частиц (размера) основного тела сверхмелкозернистых частиц 154 Si и непосредственного изменения ширины запрещенной зоны при помощи квантового эффекта удержания, который имеет место в это время, и способ восстановления молекулярного размещения окисной пленки в случае, если сверхмелкозернистые частицы могут окисляться, или молекулярного размещения другого вида диэлектрической пленки в случае, если окисление невозможно.

Детектор ультрафиолетового излучения или датчик синего цвета, содержащий полупроводник группы IV, который не требует светофильтра или подобного элемента, можно создать с использованием оптоэлектронного преобразовательного устройства, согласно настоящему варианту осуществления, которое имеет вышеописанные светоприемные характеристики.

Десятый вариант осуществления.

Основная структура датчика цвета, в котором используется оптоэлектронный материал согласно настоящему изобретению, в качестве более конкретного примера оптоэлектpонного преобразовательного устройства, будет подробно описана в качестве десятого варианта осуществления со ссылками на фиг. 16 и 17.

Согласно настоящему варианту осуществления в качестве первого варианта осуществления будет представлено описание датчика цвета, который содержит фотодетектор фотопроводящего типа, в котором светоприемная (активная) область представляет собой слой оптоэлектронного материала, который имеет полупроводниковые сверхмелкозернистые частицы Si группы IV, имеющие поверхность, покрытую своей собственной термической окисной пленкой, диспергированные по существу в однородной прозрачной среде с управляемой проводимостью или диэлектрической постоянной.

На фиг. 16 показана структура в поперечном сечении датчика цвета, в котором используется такой оптоэлектронный материал. На фиг. 16 позициями 161, 152, 163 обозначены первый, второй и третий фотоэлектрические преобразовательные слои. Каждый фотоэлектрический преобразовательный слой имеет одинаковую структуру, как и фотодетектор фотопроводящего типа, который был раскрыт в части девятого варианта осуществления, и содержит слой 164 оптоэлектронного материала, который имеет сверхмелкозернистые частицы 165 Si, диспергированные в прозрачной среде 166, и прозрачные электроды 167 из Pt с толщиной 10 нм в качестве одного примера, размещенные на и под слоем. Верхний и нижний прозрачные электроды 167 подсоединены к омметру так, как это необходимо, при помощи проволочных проводников или подобных через проводящую пасту или подобную.

Эти сверхмелкозернистые частицы 165 Si слоя 164 оптоэлектронного материала имеют по существу сферическую форму, ту же самую структуру кристалла, как и объем Si, и проводимость n-типа с бором, легированным с малой концентрацией, чтобы иметь p-тип проводимости со специфическим сопротивлением около 1 Омсм. Прозрачная среда 166 является однородной тонкой пленкой, которая имеет высокий коэффициент пропускания в видимой области спектра и имеет управляемую проводимость или диэлектрическую постоянную, и в качестве одного примера используется тонкая пленка SnO₂, которая имеет специфическое сопротивление около 1 Омсм. В этой структуре сопротивление слоя оптоэлектронного материала в темном состоянии становится приблизительно равным 100 кОм.

Так как значение упаковочного множителя сверхмелкозернистых частиц 165 Si в слое 164 оптоэлектронного материала увеличивается, то изменение внутреннего сопротивления внутри слоя 164 оптоэлектронного материала становится больше или чувствительность для принимаемого света становится выше. Однако, как упоминалось в части первого варианта осуществления, если значение упаковочного множителя является слишком высоким, квантовый эффект удержания сверхмелкозернистых частиц уменьшается так, что упаковочный множитель предпочтительно составляет около 20%.

Хотя Si используется в качестве материала для сверхмелкозернистых частиц, которые образуют слой оптоэлектронного материала, можно использовать другой полупроводник группы IV, такой как Ge или его смешанный кристалл, подходящий для использования, или сложный полупроводник группы III-V или группы II-VI, как обсуждалось в части второго варианта осуществления. Хотя тонкая пленка SnO₂ используется в качестве однородной проводящей среды, также хорошо можно использовать другую тонкую проводящую пленку или тонкую диэлектрическую пленку, которая имеет специфическое сопротивление по существу такое же или больше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться. Кроме того, полупрозрачный электрод 167 можно выполнить из одного веществa, такого как Mg, Ag, индий, алюминий, золото, вольфрам, молибден, тантал, титан, кобальт, никель и палладий, или подобных веществ вместо Pt.

Отдельные фотоэлектрические преобразовательные слои 161, 162 и 163, которые имеют вышеописанную структуру, электрически изолированы друг от друга при помощи изоляционной пленки 168 изолятора, материалом которого в качестве одного примера является пленка SiO₂, имеющая высокий коэффициент пропускания видимого света. Хотя здесь используется пленка SiO₂, также можно использовать изолятор, имеющий высокий коэффициент пропускания видимого света, такой как пленка Al₂O₃.

Ниже обсуждается принцип работы светоприемного датчика цвета, имеющего вышеописанную структуру. Во-первых, что касается работы каждого фотоэлектрического преобразовательного слоя, использующего оптоэлектронный материал, согласно настоящему варианту осуществления в случае, когда свет падает на слой 164 оптоэлектронного материала, то носители генерируются в сверхмелкозернистых частицах 165 Si слоя 164 оптоэлектронного материала и ускоряются при помощи внешнего электрического поля, вызывая явление умножения благодаря соударению и ионизации, посредством чего дополнительно образуются многочисленные свободные электроны, и достигают электрода. В результате внутреннее сопротивление слоя 164 оптоэлектронного материала падает, например, приблизительно до 10 Ом. Светоприемная функция выполняется за счет обнаружения изменения этого внутреннего сопротивления.

Как подробно описано в части первого варианта осуществления, областью длин волн принимаемого света каждого фотоэлектрического преобразовательного слоя, который имеет эту светоприемную функцию, можно управлять. В отношении механизма эмиссии Si, который является полупроводником с непрямым переходом, существует мнение, что правила отбора волнового числа для оптического перехода релаксируют в трехмерной малой структурной области порядка нанометра в пористой форме, таким образом обеспечивая излучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар, и мнение, что окись с многочисленными запоминаемыми кольцами (полисилоксан) формируются на поверхности пористого Si, и новый энергетический уровень, который дает вклад в излучательную рекомбинацию, образуется на границе пилосилоксан/Si. В любом случае очевидно, что по отношению к фотовозбуждению изменяется структура энергетической зоны (явление увеличения Eg) благодаря квантовому эффекту удержания при помощи конструирования формы Si таким способом, чтобы иметь сверхмелкозернистые частицы, размер которых составлял бы порядка нескольких нанометров. То есть отдельные фотоэлектрические преобразовательные слои могут иметь различные светоприемные характеристики за счет регулировки среднего размера частиц или поверхностных сверхмелкозернистых частиц Si, которые содержатся в каждом фотоэлектрическом преобразовательном слое.

Если размеры сверхмелкозернистых частиц Si первого, второго и третьего фотоэлектрических преобразовательных слоев 161, 162 и 163 увеличиваются на этот порядок, то Eg увеличивается, так как размер сверхмелкозернистых частиц становится меньше, так что оптический зазор становится больше для слоя, который размещается рядом со светоприемной поверхностью. Это поведение изображено на фиг. 17. Более конкретно, диаметры сверхмелкозернистых частиц первого, второго и третьего фотоэлектрических преобразовательных слоев в качестве одного примера соответственно составляют 3,0, 3,5 и 4,0 нм, и их оптические зазоры находятся в синей, зеленой и красной областях спектра соответственно

Следовательно, красный (R) свет проходит через первый и второй фотоэлектрические преобразовательные слои без поглощения и поглощается в третьем фотоэлектрическом преобразовательном слое. Аналогично зеленый (G) свет проходит через первый фотоэлектрический преобразовательный слой без поглощения и поглощается во втором фотоэлектрическом преобразовательном слое (возможно, что третий фотоэлектрический преобразовательный слой слишком сильно зависит от толщины), и синий (В) свет поглощается в основном в первом фотоэлектрическом преобразовательном слое. Следовательно, в результате разницы между значениями интенсивности принимаемого света в отдельных фотоэлектрических преобразовательных слоях можно получить интенсивности R, G, и В. Кроме того, эти три основные цвета правильно подвергаются обработке сигнала для того, чтобы обеспечить дискриминацию цветов, включая промежуточный цвет.

Хотя фотопроводящий фотодетектор используется в качестве фотоэлектрического преобразовательного слоя в таком датчике света, можно использовать фотодетектор типа фотоэлектродвижущей силы, который обсуждался в части восьмого варианта осуществления. Этот случай имеет преимущество в линейности для падающего света, характеристику быстрого срабатывания, свойство низкого шума.

Одиннадцатый вариант осуществления.

Основная структура другого оптоэлектронного материала согласно настоящему изобретению будет конкретно описана ниже в качестве одиннадцатого варианта осуществления со ссылками на фиг. 18 и 19.

Согласно настоящему варианту осуществления будет приведено описание оптоэлектронного материала в качестве фотолюминесцентного (PL) светоизлучающего элемента, в котором светоприемная (активная) область представляет собой слой с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который имеет сверхмелкозернистые частицы Si обычно из полупроводника группы IV, имеющими поверхность, покрытую своей собственной термической окисной пленкой, диспергированной в прозрачной среде. Как было объяснено в части первого варианта осуществления с использованием табл. 1, окисную пленку сверхмелкозернистых частиц можно избежать в зависимости от комбинации сверхмелкозернистых частиц и прозрачной среды.

На фиг. 18 показана структура в поперечном сечении оптоэлектронного материала согласно настоящему варианту осуществления. На фиг. 18А позицией 181 обозначена подложка, в качестве одного примера которой использовалась Si подложка n-типа проводимости, имеющая ориентацию плоскости (100), проводимость n-типа, легированная фосфором, и специфическое сопротивление 10 Омсм. Слои 182 прозрачного материала с низким коэффициентом преломления и слои 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами с высоким коэффициентом преломления размещаются поочередно в заданном цикле на верхней поверхности этой подложки 181 Si n-типа проводимости, образуя при этом периодическую структуру. Слои 182 прозрачного материала представляют собой однородные тонкие пленки, которые имеют высокий коэффициент пропускания в видимой области спектра и управляемую проводимость или диэлектрическую постоянную, и в качестве одного примера используется тонкая пленка из окиси индия - окиси олова (In₂O₃ -SnO₂:ITO) Эта тонкая пленка ITO имеет коэффициент пропускания видимого света 90% или более, и ее проводимостью или диэлектрической постоянной можно управлять при помощи регулировки условий ее образования (температура подложки, парциальное давление кислорода и т.д.). Например, специфическим сопротивлением можно управлять в диапазоне приблизительно 10^-4-10^-2 Омсм при регулировке суммарного отношения SnO₂ во время приготовления тонкой пленки ITO при помощи напыления в диапазоне от нескольких процентов до нескольких десятков процентов по весу. Кроме того, диэлектрической постоянной можно управлять в диапазоне около 4-5.

Хотя тонкая пленка ITO используется в качестве однородного слоя прозрачного материала, предпочтительно, чтобы однородная тонкая пленка, которая имеет требуемую диэлектрическую постоянную в качестве слоя с низким коэффициентом преломления, использовалась в соответствии с конструкцией периодической структуры, которая будет обсуждаться ниже, также можно использовать другую проводящую тонкую пленку, такую как тонкая пленка из SnO₂, TiO₂ или InO₂, или можно использовать диэлектрическую тонкую пленку из SiO₂, Al₂O₃ или подобных материалов. Кроме того, оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления можно использовать для слоя оптоэлектронного материала светоизлучающего устройства отображения, оптоэлектронного преобразовательного устройства или датчика света, описанного в частях первого-десятого вариантов осуществления. В этом случае предпочтительно, чтобы этот слой прозрачного материала имел высокую проводимость.

Как показано на фиг. 18В, слой 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами образован из сверхмелкозернистых частиц 185 Si, диспергированных в прозрачной среде 184. Структура этого слоя 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами является той же самой, как и у слоя 13 оптоэлектронного материала, который обсуждался в части первого варианта осуществления. То есть сверхмелкозернистые частицы 185 Si имеют по существу сферическую форму, ту же самую структуру кристалла, как и объем Si, и проводимость n-типа с легированным фосфором при низкой концентрации с размером частиц, который регулируется в пределах приблизительно 3-10 нм. Кроме того, поверхности сверхмелкозернистых частиц 185 Si покрываются пленкой SiO₂, которая не показана, толщина которой должна быть например 3 нм или тоньше. Прозрачная среда 184 имеет высокий коэффициент пропускания в видимой области спектра и управляемую проводимость и диэлектрическую постоянную, и в качестве одного примера использовалась тонкая пленка SnO₂. Подходящим является то, что специфическое сопротивление среды является приблизительно тем же самым или равно или больше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться, и в качестве одного примера составляет 1 Омсм.

Кроме того, значение упаковочного множителя сверхмелкозернистых частиц 185 Si в слое 183 оптоэлектронного материала составляет около 20% для того, чтобы эффективно выполнить квантовый захват носителей, как упоминалось в части первого варианта осуществления.

Хотя Si используется в качестве материала для сверхмелкозернистых частиц, которые образуют слой оптоэлектронного материала, можно использовать и другой полупроводник группы IV, такой как Ge или его смешанный кристалл, подходящий для использования, или сложный полупроводник группы III-IV или группы II-VI. Хотя тонкая пленка SnO₂ используется в качестве однородной прозрачной среды, предпочтительно, чтобы однородная тонкая пленка, имеющая необходимую диэлектрическую постоянную в качестве слоя с высоким преломлением, использовалась бы в соответствии с конструкцией периодической структуры, которая будет обсуждаться ниже, а также можно использовать другую проводящую тонкую пленку или диэлектрическую тонкую пленку. Кроме того, оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления можно использовать для слоя оптоэлектронного материала светоизлучающего устройства, устройства отображения, оптоэлектронного преобразовательного устройства или датчика цвета, который описан в части первого-десятого вариантов осуществления. В этом случае предпочтительно, чтобы прозрачная среда этого слоя с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами имела бы специфическое сопротивление, которое равно приблизительно тому же самому или больше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться.

Способ конструирования периодической структуры для оптоэлектронного материала согласно настоящему варианту осуществления будет описан ниже. Когда оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления демонстрирует явление излучения света с , которая является требуемой центральной длиной волны излучаемого света, периодическая слоистая структура выполнена таким способом, что толщина оптической пленки одного периода (коэффициент преломления х толщина пленки) слоистой структуры слоев 182 прозрачного материала и слоев 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами становится /2. Согласно настоящему варианту осуществления в качестве одного примера конструкции периодической структуры составляет 600 нм, и толщина оптической пленки каждого слоя составляет 150 нм (/4). Более конкретно, так как типичный коэффициент преломления тонкой пленки составляет 2,1, то толщина слоев 182 прозрачного материала равна 72 нм.

Слои 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами конструировались на основе теории средней эффективной среды. Предполагаем, что слои с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами образуются с помощью сферических сверхмелкозернистых частиц, которые имеют диэлектрическую постоянную , диспергированных в прозрачной среде, имеющей диэлектрическую постоянную _m, в упаковочном множителе f. Когда размер частиц сверхмелкозернистых частиц достаточно мал по сравнению с длиной волны, средняя диэлектрическая постоянная _av слоев с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами выражается следующим уравнением:

_av = _m[1+f3f(-_m)/{e(1-f)+_m(2+f)}]. (2)

Согласно настоящему варианту осуществления типичное значение диэлектрической постоянной тонкой пленки SnO₂ составляет 4,8, и используется значение объема Si, равное 11,9, при аппроксимации для диэлектрической постоянной сверхмелкозернистых частиц Si. Допустим, что упаковочный множитель f составляет 20%, тогда из вышеприведенного уравнения получается средняя диэлектрическая постоянная слоев с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, равная 5,8. Поскольку коэффициент преломления может аппроксимироваться 1/2 мощности диэлектрической постоянной, полученный средний коэффициент преломления слоев с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами составляет 2,4. Поэтому толщина слоев с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами в качестве слоев с высоким коэффициентом преломления составляет 63 нм. Хотя толщина оптической пленки каждого слоя составляет /4, толщину оптической пленки одного периода слоистой структуры слоев 182 прозрачного материала и слоев 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами можно установить равной /2, и затем толщину оптической пленки слоев 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами можно установить менее чем /4. Соответственно можно повысить эффективность генерации излучения света оптоэлектронного материала согласно настоящему варианту осуществления. Принцип работы излучения света с помощью оптоэлектронного материала с вышеописанной структурой будет описан ниже. Во-первых, в отношении работы светоизлучающего фотолюминeсцентного элемента оптоэлектронного материала согласно настоящему варианту осуществления при освещении световым пучком, имеющим энергию фотона, равную или большую, чем энергия (Eg) запрещенной зоны сверхмелкозернистых частиц, в сверхмелкозернистых частицах 185 Si в слоях 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами образуются электронно-дырочные пары, как конкретно обсуждалось в части первого варианта осуществления. Образованные электронно-дырочные пары излучают свет в соответствии с Eg сверхмелкозернистых частиц за счет явления рекомбинации через центр ассоциативной излучательной рекомбинации.

Так как полупроводники группы IV являются первоначально типом с непрямым переходом, то вероятность появления излучательной рекомбинации очень мала, но если сверхмелкозернистые частицы выполнены с размером частиц порядка нескольких нанометров, вероятность повышается, таким образом гарантируя сильное излучение света. Здесь следует отметить, что явление увеличения Eg при помощи квантового эффекта удержания используется так, как обсуждалось в части первого варианта осуществления. То есть необходимую длину волны люминесценции можно получить при помощи регулировки размера частиц (размера) или поверхностного атомного размещения сверхмелкозернистых частиц Si. Однако спектр люминесценции сверхмелкозернистых частиц один имеет широкую ширину спектра (фиг. 19А). Сверхмелкозернистые частицы Si согласно настоящему варианту осуществления имеют ширину спектра около 0,3 эВ, как изображено на фиг. 5 в части первого варианта осуществления.

Согласно настоящему варианту осуществления для сравнения слои 182 прозрачного материала и слои с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами были расположены поочередно один на другом в соответствии с вышеупомянутой конструкцией периодической структуры таким способом, что толщина оптической пленки одного периода слоистой структуры составляла 1,2. Соответственно многочисленная интерференция, которая возникает на границах отдельных слоев из-за различия коэффициентов преломления слоя прозрачного материала и слоя с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, позволяет повысить интенсивность области длин волн, близких к . Это поведение изображено на фиг. 19В. Поскольку ширина этого спектра становится уже, так как увеличивается число слоев периодической структуры, то число слоев нужно регулировать в соответствии с необходимой шириной спектра.

Кроме того, эффект повышения интенсивности излучения требуемой области длин волн непрерывного спектра, которое по существу генерируется сверхмелкозернистыми частицами, можно улучшить при помощи регулировки размера частиц или поверхностного атомного расположения сверхмелкозернистых частиц Si таким способом, что центральная длина волны первоначального излучения света сверхмелкозернистых частиц Si согласуется с центральной длиной волны, которая увеличивается при помощи периодической структуры и при помощи регулировки толщины каждого слоя в соответствии с вышеупомянутой конструкцией периодической структуры.

Хотя оптоэлектронный материал, такой как светоизлучающий фотолюминeсцентный элемент, обсуждался в части настоящего варианта осуществления, оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления также можно использовать для слоев оптоэлектронного материала в первом-десятом вариантах осуществления. В этом случае в светоизлучающем устройстве, устройстве отображения, оптоэлектронном преобразовательном устройстве или датчике цвета, который описан в частях первого - десятого вариантов осуществления, можно повысить эмиссию света и интенсивность приема необходимой области длин волн непрерывного спектра, который по существу образуется при помощи сверхмелкозернистых частиц.

Двенадцатый вариант осуществления.

Основная структура дополнительного оптоэлектронного материала согласно настоящему изобретению будет конкретно описана ниже в качестве двенадцатого варианта осуществления со ссылками на фиг. 20. Согласно настоящему варианту осуществления приводится описание оптоэлектронного материала в качестве фотолюминесцентного (PL) светоизлучающего элемента, в котором светоприемная (активная) область представляет собой активный слой, имеющий сверхмелкозернистые частицы Si, обычно из полупроводников группы IV со своей поверхностью, которая покрыта своей собственной термической окисной пленкой, диспергированные в однородной прозрачной среде. Как объяснялось в части первого варианта осуществления с использованием табл. 1, окисной пленкой сверхмелкозернистых частиц можно пренебречь в зависимости от комбинации сверхмелкозернистых частиц и прозрачной среды.

На фиг. 20 показана структура в поперечном сечении оптоэлектронного материала согласно настоящему варианту осуществления. На фиг. 20 позицией 201 обозначена подложка, в качестве одного примера которой использовалась стеклянная подложка. В качестве одного примера на верхней поверхности этой стеклянной подложки 201 выполнен тонкий металлический слой 202 алюминия (Al) толщиной 100 нм. В качестве тонкого металлического слоя 202 следует использовать материал, имеющий высокий коэффициент отражения в видимой области спектра, который можно выполнить по существу из одного вещества, такого как Pt, Mg, индий, золотo, серебро, вольфрам, молибден, тантал, титан, кобальт, никель и палладий, или подобного вещества вместо Al.

Многослойная пленка 203 выполнена на верхней поверхности тонкого металлического слоя 202. Эта многослойная пленка 203 имеет по меньшей мере два вида слоев с различными коэффициентами преломления, которые поочередно расположены один на другом для того, чтобы иметь периодическую структуру. В качестве одного примера выполнен оптоэлектронный материал, который содержит чередующуюся слоистую структуру слоев прозрачном среды, выполненных из тонкой пленки ITO и сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в тонкой пленке, как обсуждалось в части первого варианта осуществления.

Периодическая структура многослойной пленки 203 выполнена таким способом, что когда оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту демонстрирует явление излучения света, толщина оптической пленки одного периода (коэффициент преломления х толщина пленки) должна равняться /2 ( - центральная длина волны излучаемого света) в соответствии с конструкцией, которая конкретно описана в части одиннадцатого варианта осуществления. Согласно настоящему варианту осуществления при = 600 нм многослойная пленка 203 выполнена при помощи чередующейся слоистой структуры слоев прозрачной среды с толщиной 72 нм и слоев с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами с толщиной 63 нм в качестве одного примера. Хотя оптоэлектронный материал одиннадцатого варианта осуществления используется для многослойной пленки 203, диэлектрическую многослойную пленку или подобную, которая традиционно применяется, можно использовать в качестве многослойной отражательной пленки в видимой области спектра.

Активный слой 204 выполнен на верхней поверхности многослойной пленки 203. Этот активный слой 204 имеет такую же структуру, как и слой 183 с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, который обсуждался в части одиннадцатого варианта осуществления, и выполнен из сверхмелкозернистых частиц 205 Si, диспергированных в прозрачной среде 206. Сверхмелкозернистые частицы 205 Si имеют по существу сферическую форму, одинаковую кристаллическую структуру, как и объем Si, и проводимость n-типа с бором, легированным при малой концентрации, с размером частиц, который регулируется приблизительно от 3 до 10 нм. Кроме того, на поверхность сверхмелкозернистых частиц 205 Si наносят пленку SiO₂ (не показано), толщина которой должна быть, например, 3 нм или менее. Прозрачная среда 206 является однородной тонкой пленкой, которая имеет высокий коэффициент пропускания в видимой области спектра и управляемую проводимость и диэлектрическую постоянную, и здесь в качестве одного примера использовалась тонкая пленка SnO₂.

Кроме того, толщину оптической пленки (коэффициент преломления х толщина пленки) этого активного слоя 204 устанавливают кратной целому числу . Согласно настоящему варианту осуществления в качестве одного примера составляет 600 нм, и толщина оптической пленки активного слоя 204 равна 2. Более конкретно, упаковочный множитель составляет 20%, в качестве одного примера коэффициент преломления активного слоя 204 равен 2,4, как получалось в части одиннадцатого варианта осуществления. Поэтому толщина активного слоя 204 составляет 500 нм.

Хотя Si используется в качестве материала для сверхмелкозернистых частиц, которые образуют активный слой, можно использовать и другой полупроводник группы IV, такой как Ge или его смешанный кристалл, который подходит для применения, или смешанный полупроводник группы III-V или группы II-VI, как обсуждалось в части одиннадцатого варианта осуществления. Хотя в качестве однородной прозрачной среды используется тонкая пленка SnO₂, предпочтительно, чтобы однородная тонкая пленка, имеющая требуемую диэлектрическую постоянную, использовалась в соответствии с конструкцией периодической структуры, которая обсуждалась в части одиннадцатого варианта осуществления, а также можно использовать и другую проводящую тонкую пленку или диэлектрическую тонкую пленку. Кроме того, оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления можно использовать для слоя оптоэлектронного материала светоизлучающего устройства, устройства отображения, оптоэлектронного преобразовательного устройства или датчика цвета, которые описаны в частях первого-десятого вариантов осуществления. В этом случае предпочтительно, чтобы прозрачная среда этого активного слоя имела специфическое сопротивление, которое приблизительно такое же самое или равно или больше, чем специфическое сопротивление сверхмелкозернистых частиц, которые будут диспергироваться.

Частично отражающий слой 207 Pt с толщиной 10 нм в качестве одного примера выполнен на верхней поверхности активного слоя 204. Материал, имеющий требуемое сопротивление в видимой области спектра, необходимо использовать в качестве частично отражающего слоя 207, который можно по существу выполнить из одного Mg, индия, Al, золота, серебра, вольфрама, молибдена, тантала, титана, кобальта, никеля и палладия или им подобного вместо Pt. Кроме того, диэлектрическую многослойную пленку, которая традиционно используется, можно использовать в качестве частично отражающей пленки в видимой области спектра.

Принцип работы излучения света при помощи оптоэлектронного материала с вышеописанной структурой будет описан ниже. При облучении светом, который имеет энергию фотонов, равную или больше, чем энергия запрещенной зоны (Eg) сверхмелкозернистых частиц, излучение света имеет широкий спектр, как показано на фиг. 19А на основании принципа, описанного в части одиннадцатого варианта осуществления.

Соответственно чередующаяся слоистая структура выполнена таким способом, что толщина оптической пленки многослойной пленки 203 в одном периоде становится равной /2 в виде периодической структуры, и толщина оптической пленки активного слоя 204 конструируется так, чтобы быть кратной целому числу , как упоминалось выше, при этом резонансная структура имеет активный слой 204, расположенный поочередно между многослойной пленкой 203 и частично отражающим слоем 207. Поэтому можно увеличить интенсивность излучения в диапазоне длин волн, имеющих одиночный пик на , (фиг. 19В).

Кроме того, поскольку оптоэлектронный материал, который обсуждался в части одиннадцатого варианта осуществления, используется для многослойной пленки 203 настоящего варианта осуществления, сверхмелкозернистые частицы Si в многослойной пленке 203 также излучают свет, таким образом повышая интенсивность излучения света.

Кроме того, эффект повышения интенсивности требуемой области длин волн непрерывного спектра, который по существу получается с помощью сверхмелкозернистых частиц, можно улучшить при помощи регулировки размера частиц поверхностного атомного расположения сверхмелкозернистых частиц Si таким способом, чтобы центральная длина волны первоначальной эмиссии света сверхмелкозернистых частиц Si была согласована с центральной длиной волны, увеличенной посредством периодической структуры, и с помощью регулировки толщины каждого слоя в соответствии с вышеупомянутой конструкцией периодической структуры.

Хотя оптоэлектронный материал, такой как светоизлучающий фотолюминесцентный элемент обсуждался в части настоящего варианта осуществления, оптоэлектронный материал согласно настоящему варианту осуществления также можно использовать для слоев оптоэлектронного материала в первом-десятом вариантах осуществления. В этом случае в светоизлучающем устройстве, устройстве отображения, оптоэлектронном преобразовательном устройстве или датчике цвета, которые описаны в частях первого-десятого вариантов осуществления, можно повысить эмиссию света и интенсивность приема необходимой области длин волн непрерывного спектра, который по существу формируется сверхмелкозернистыми частицами.

Тринадцатый вариант осуществления.

Подходящий способ изготовления оптоэлектронного материала согласно настоящему изобретению будет подробно описан ниже в качестве тринадцатого варианта осуществления со ссылками на фиг. 21-24.

На фиг. 21 представлены схемы операции, изображающей способ изготовления сверхмелкозернистых частиц группы IV в качестве одного примера оптоэлектронного материала, и позицией 201 обозначается порошок кремния (Si), позицией 212 обозначается порошок германия (Ge), размер частиц которых составляет приблизительно 1,0-2,0 мкм и чистоту 6N или более. Позицией 214 обозначается установка горячего прессования и 215 - смешанная мишень Si-Ge.

Для подготовки смешанного порошка 213 Si-Ge порошок 211 Si и порошок 212 Ge сначала механически смешивают до получения однородного диспергированного состояния (фиг. 21А). Хотя отношение концентраций компонентов смеси можно устанавливать произвольно для того, чтобы управлять длиной волны люминесценции, что будет обсуждено ниже, оно устанавливалось равным Si:Ge = 0,2:0,8 в молярном отношении с приоритетом, связанным с эффективностью излучения света.

Затем, как показано на фиг. 21В, смешанный порошок 213 Si-Ge уплотняют внутри установки 214 горячего прессования, в которой выполняют нагревание и сжатие во время спекания в сжатом состоянии. Хотя температура нагревания в это время обычно составляет приблизительно 0,8 разa относительно эвтектической точки (К), в настоящем варианте осуществления она была установлена на значении около 700^oC. Уровень давления устанавливался в пределах 15-20 МПа, и окружающей средой в это время спекания в сжатом состоянии являлся разреженный газ (газ аргон). Однако, используя способ вакуумного горячего прессования, можно окончательно получить прессованное изделие с высокой плотностью. С другой стороны, получение прессованного изделия, которое имеет по существу ту же самую плотность, как и полученнoe в способе горячего прессования, в котором используется разреженный газ, можно выполнить при помощи сжатия при низкой температуре и низком давлении. На фиг. 21С показана прессованная смешанная мишень 215, смешанная из Si-Ge, выполненная на установке 214 горячей штамповки.

Таким образом, смешанная мишень 215 с прессованными Si-Ge имеет однородно диспергированные частицы Si и Ge с толщиной на уровне микрона, плотность которых достигает или превышает идеальное значение, равное 99%.

На фиг. 22 показана общая схема устройства подготовки сверхмелкозернистых частиц смешанных кристаллов группы IV (Si-Ge), размер которых управляется на уровне нанометра при помощи выполнения лазерной абляции на мишени смешанных частиц Si-Ge, которая получается при помощи способа изготовления, изображенного на фиг. 21A-C.

Лазерная абляция представляет собой облучение лазерным лучом с высокой плотностью энергии (энергия импульса 1 Дж или более) материала мишени, которое вызывает плавление и десорбцию поверхности облучаемого материала мишени, и характеризуется равновесным состоянием без нагрева и безынерционным процессом. Специфический эффект равновесного состояния без нагрева представляет собой способность осуществления пространственного временного селективного возбуждения. В частности, пространственное селективное возбуждение позволяет получить только необходимый источник материала, который будет возбуждаться, тогда как известный тепловой процесс или плазменный процесс вызывает тепловое или ионное воздействие для достаточно большой области или внутренней области реакционной зоны, и, таким образом, является чистым процессом с подавлением смешивания с примесью.

"Безынерционное" средство означает значительно низкий порог разрушения по сравнению с ионным процессом с тем же самым равновесным состоянием без нагрева. Десорбированный материал в лазерной абляции в основном состоит из ионов и частиц нейтронов или атомов, молей или групп (состоящих приблизительно из от нескольких единиц до нескольких десятков атомов), кинетическая энергия которых достигает нескольких десятков электронвольт (эВ) для ионов и несколько электронвольт для частиц нейтронов. Эта энергия намного выше, чем у атомов при тепловом испарении, но лежит в значительно более низкой энергетической области, чем у ионного пучка.

Такой процесс чистой лазерной абляции с низким порогом разрушения является пригодным для приготовления сверхмелкозернистых частиц, в котором смешивание с примесями, кристаллическая структура, состояние поверхности и тому подобное имеет возможность управления. То есть, так как низкий порог разрушения является неизбежным фактором при приготовлении сверхмелкозернистых частиц с очень большим отношением поверхностных зон и чувствительностью к структуре, и если сверхмелкозернистые частицы выращивают в процессе теплового равновесия, то распределение параметров структуры наподобие размера частиц становится неизбежным.

Основная структура устройства является такой, что лазерный луч (длина волны 193 нм) от источника 2201 фтор-аргонового (ArF) эксимерного лазера вводится в реакционную вакуумную камеру 2206 через оптическую систему, которая содержит щель 2202, собирающую линзу 2203, зеркало 2204 и окно 2205 для прохождения света, и фокусируется на/и облучает поверхность мишени 2207 смешанных частиц Si-Ge, помещенную внутрь вакуумной реакционной камеры 2206. Энергетические условия облучения в это время составляют плотность энергии импульса 1,0-3,0 Дж/см², и частота повторения 10 Гц. Кроме того, мишень 2207 смешанных частиц Si-Ge расположена в держателе 2208 мишени, который имеет вращательный механизм. Подложка 2209 для напыления располагается на расстоянии от 7 до 10 мм в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени 2207 смешанных частиц Si-Ge и параллельном поверхности мишени, и десорбированный материал от облучаемой поверхности мишени 2207 смешанных частиц Si-Ge собирается и напыляется. То есть, так как десорбированный материал является по существу атомом, грамм-молекулой или/и группой частиц при условии облучения настоящего варианта осуществления, тонкая пленка, содержащая это, образуется при помощи напыления при лазерной абляции в среде глубокого вакуума.

Когда напыление при лазерной абляции с вышеупомянутыми условиями облучения выполняется в среде газа Не под давлением несколько торр, кинетическая энергия десорбированного материала поглощается атомами окружающего газа, при этом ассоциация и рост в воздушной среде ускоряются и материал растет в виде сверхмелкозернистых частиц с размером частиц от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров за время, при котором он достигает этого и собирается на подложке 2209 для напыления.

Более конкретно, реакционную вакуумную камеру 2206 предварительно обезгаживают до давления 1 х 10⁸ Па с помощью системы 2210 откачки и обеспечения глубокого вакуума, которая в основном содержит турбомолекулярный насос, после чего систему 2210 откачки и обеспечения глубокого вакуума запаивают. Затем газ гелий (Не) вводят через линию 2211 подачи разреженного газа, и среда разреженного газа (Не) реализовывается при помощи управления потоком с помощью контроллера 2212 массы потока и дифференциальной откачки при помощи дифференциальной системы 221 откачки, которая в основном содержит сухой вращательный насос или турбомолекулярный насос высокого давления, диапазон управления давления в среде газа (Не) составляет 1,0-200,0 торр.

Традиционно трудно получить кристалл с высокой степенью смешанных частиц Si-Ge с помощью плавления и тепловой обработки объема при температуре 1000^oC, тогда как настоящий вариант осуществления позволяет предоставить равновесное состояние без нагрева, эквивалентное высокой температуре от нескольких тысяч градусов на поверхности мишени 2207 смешанных частиц Si-Ge, таким образом обеспечивая образование идеального кристалла смешанных частиц Si-Ge.

Так как мишень 2207 смешанных частиц Si-Ge имеет однородно диспергированные частицы Si и Ge порядка микрона, то область пятна лазерного облучения имеет размер в несколько квадратных миллиметров и находится в очень горячем состоянии, эквивалентном нескольким десяткам тысяч градусов в терминах температуры, то есть разность между точкой плавления и температурой испарения Si и Ge является незначительной, состав десорбированного материала для каждого импульса достаточно согласуется с составом самой мишени 2207 смешанных частиц Si-Ge (молярное отношение - 0,2:0,8).

Нет необходимости говорить, что нанесение сверхмелкозернистых частиц с размером частиц, который регулируется на уровне нанометра, можно, конечно, получить на подложке с использованием не только смешанной мишени, но также и мишени одного материала группы IV, наподобие Si или Ge или мишени со смешанными этими частицами.

Ниже приводится описание способа управления средним размером частицы смешанных частиц Si-Ge сверхмелкозернистых частиц согласно настоящему варианту осуществления. Управление средним размером частиц согласно настоящему варианту осуществления в основном выполняется при помощи постоянного изменения давления разреженного газа (Не), находящегося в вакуумной реакционной камере 2206, посредством управления потоком с помощью контроллера 2212 массы потока и регулировки проводимости при помощи дифференциальной системы 2213 откачки, которая в основном содержит сухой вращательный насос.

На фиг. 23 показана характеристическая кривая, представляющая соотношение между давлением вводимого газа Не и средним размером смешанных частиц Si-Ge сверхмелкозернистых частиц, адгезированных к подложке 2209 для напыления. Из фиг. 23 можно понять, что размер частиц сверхмелкозернистых частиц монотонно возрастает с повышением давления газа Не в случае, когда давление газа Не находится в диапазоне 2,0-10,0 тoрp. Также очевидно, что количественно размер частиц увеличивается пропорционально 1/3 мощности от давления (р) газа Не. Зависимость объясняется рассеянием кинетической энергии десорбированных (инжектированных) частиц в среде газа Не, который рассматривается как среда с инерциальным сопротивлением. Такое управление размером можно, конечно, использовать не только на мишени смешанного материала, но также на мишени одиночного материала наподобие Si или Ge.

Вкратце согласно настоящему варианту осуществления операцию лазерной абляции выполняют первой в среде разреженного газа для гарантированного получения напыления сверхмелкозернистых частиц с управляемым размером частиц на уровне нанометра на подложке. Далее, давление среды разреженного газа в вакуумной реакционной камере постоянно изменяют для того, чтобы обеспечить управление средним размером частиц. Поскольку используются смешанные кристаллические сверхмелкозернистые частицы, в частности отношение состава смешанного кристалла можно эффективно использовать в качестве субпараметра, хотя размер частиц является основным параметром при регулировке энергии запрещенной зоны так, как показано на фиг. 6 в части второго варианта осуществления.

В качестве оптоэлектронного материала можно также использовать одно вещество или смешанный кристалл другого типа или с другим coотношением состава. Например, можно также использовать соединение группы III-V типа арсенида галлия (GaAs), который является полупроводником с прямым типом перехода, или соединение группы II-VI типа сульфида кадмия (CdS).

Сверхмелкозернистые частицы, полученные в вакуумной реакционной камере, в предшествующем описании непосредственно наносятся на поверхность в случае, когда распределение размера частиц сверхмелкозернистых частиц становится больше. Что касается способа управления размером сверхмелкозернистых частиц в операции изготовления оптоэлектронного материала согласно настоящему варианту осуществления, то он будет описан со ссылками на фиг. 24.

Фиг. 24 изображает в схематическом виде устройство управления размером частиц, которое позволяет управлять размером частиц с использованием разделения по массе во время нанесения сверхмелкозернистых частиц при помощи лазерной абляции. На фиг. 24 в случае, когда импульсный лазерный пучок падает на поверхность мишени 241, которая размещается в центре реакционной камеры в среде разреженного газа, на поверхности мишени 241 возникает явление лазерной абляции и ускоряется ассоциация и рост в воздушной среде, получая при этом сверхмелкозернистые частицы 242. Для полученных сверхмелкозернистых частиц используется разделитель 244 по массе, который содержит проход 245 для ввода полученных сверхмелкозернистых частиц 242, ионизационную камеру 246 для ионизации вводимых сверхмелкозернистых частицы, ускорительную трубку 247 для повышения скорости ионизированных сверхмелкозернистых частиц при помощи электрического поля и отклоняющийся электрод 248 для получения электрического поля для разделения по массе сверхмелкозернистых частиц.

Ниже будет обсужден способ управления размером частиц сверхмелкозернистых частиц в вышеописанной структуре. Во-первых, как упоминалось выше, когда импульсный лазерный пучок падает на поверхность мишени 241, которая размещается в вакуумной реакционной камере в среде разреженного газа, образуются сверхмелкозернистые частицы 242. Сверхмелкозернистые частицы 242 вводятся через проход 245 в ионизационную камеру 246. Так как вводимые сверхмелкозернистые частицы проходят разрядную область роста, которая образуется в ионизационной камере 246, то они ионизируются. Затем ионизированные сверхмелкозернистые частицы ускоряются в зависимости от прикладываемого напряжения к ускорительной трубке 247 и достигают отклоняющего электрода 248. Если электрическое поле прикладывается к отклоняющему электроду 248, направление инжекции некоторых сверхмелкозернистых частиц изменяется по направлению подложки 243 для напыления. Поскольку направление инжекции определяется размером частиц, (масса будет точной) напыляемых сверхмелкозернистых частиц, то ускоряющее напряжение в ускорительной трубке 247 и прикладываемое к отклоняющему электроду 248 электрическое поле позволяет инжектировать только сверхмелкозернистые частицы, которые будут напыляться в направлении подложки 243 для напыления при помощи управления этими физическими величинами.

Устанавливая вышеописанный разделитель 244 по массе между мишенью 241 и подложкой 243 для напыления, можно получить сверхмелкозернистые частицы с согласованными размерами частиц, которые будут напыляться на подложку 243 для напыления. Хотя электрическое поле прикладывается с использованием отклоняющего электрода для того, чтобы изменить направление сверхмелкозернистых частиц в предшествующем описании, направление инжекции можно изменять, прикладывая магнитное поле.

Четырнадцатый вариант осуществления.

Другой подходящий способ изготовления оптоэлектронного материала согласно настоящему изобретению будет подробно описан ниже в качестве четырнадцатого варианта осуществления с ссылками на фиг. 25. Согласно вышеописанному тринадцатому варианту осуществления настоящего изобретения описан способ изготовления сверхмелкозернистых частиц группы IV. Если сверхмелкозернистые частицы непосредственно приклеиваются и напыляются на подложку для напыления, по меньшей мере подобным образом будет сформирована тонкая пленка с пористой конфигурацией, которая содержит сверхмелкозернистые частицы. В отношении пористой формы может потребоваться более оптимальная конфигурация, основанная на предположении, что электроды подсоединяются для получения устройства или может потребоваться более оптимальная конфигурация или подобная для того, чтобы получить первоначальный квантовый эффект удержания сферических сверхмелкозернистых частиц для демонстрации новой функции, связанной с излучением света.

В связи с этим приводится описание способа изготовления оптоэлектронного материала, который содержит прозрачную проводящую тонкую пленку с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами Si согласно настоящему варианту осуществления. Согласно настоящему варианту осуществления предусмотрена операция одновременного выполнения напыления сверхмелкозернистых частиц Si и напыления прозрачного проводящего материала на ту же самую подложку для диспергирования сверхмелкозернистых частиц Si в прозрачную проводящую тонкую пленку, при этом сверхмелкозернистые частицы Si подготавливают и напыляют с адгезией на подложку с использованием лазерной абляции в среде разреженного газа (Ar, Не или подобные), и формируют прозрачную проводящую тонкую пленку на той же самой подложке таким способом, что сверхмелкозернистые частицы Si диспергируются с операции напыления соответственно до операции лазерной абляции в среде окисляющего газа.

На фиг. 25 конкретно показана упрощенная схема устройства для изготовления оптоэлектронного материала, предназначенного для получения тонкого слоя оптоэлектронного материала, который имеет сверхмелкозернистые частицы Si, диспергированные в однородной прозрачной проводящей тонкой пленке, с помощью одновременной лазерной абляции на мишени Si прозрачной проводящей мишени.

В соответствии с фиг. 25 после первой цельнометаллической реакционной камеры 2501 проводится обезгаживание при давлении 1,010⁹ тopр при помощи системы откачки и получения глубокого вакуума, которая в основном содержит турбомолекулярный насос, и газ аргон вводится через линию 2503 подачи разреженного газа через контроллер 2502 потока массы. Одновременно с работой системы 2504 откачки газа, которая в основном содержит сухой вращательный насос или молекулярный турбонасос высокого давления, давление разреженного газа в первой реакционной камере 2501 устанавливается на постоянном значении в диапазоне 0,1-10 тopр.

В этой ситуации импульс лазерного излучения, выходящий из источника 2507 первого лазерного импульса, падает на поверхность мишени 2506, которая размещена на поддержке 2505 первой мишени, которая имеет вращательный механизм. Следовательно, имеет место явление лазерной абляции на поверхности мишени 2506 Si, при этом ионы или нейтроны (атомы, группы) десорбируются и инжектируются в основном в направлении, перпендикулярном к мишени сначала с кинетической энергией порядка 50 эВ для ионов или 5 эВ для нейтронов. Так как десорбированный материал соударяется с атомами разреженного газа, то их направление пролета искажается и кинетическая энергия рассеивается в среде, таким образом ускоряя ассоциацию и конденсацию в воздушной среде. В результате происходит рост сверхмелкозернистых частиц с размером частиц от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Операция лазерной абляции в этой среде разреженного газа в основном является такой же, как и операция, которая объяснена со ссылками на фиг 22.

Между тем после второй цельнометаллической реакционной камеры 2508 выполняют обезгаживание под давлением 1,0-10⁹ тopр с помощью системы откачки и получения глубокого вакуума, и газ, содержащий кислород, вводится через линию 2510 подачи газа кислорода через контроллер 2509 потока массы. Подходящим является смешивание кислорода в газе Не при относительном содержании кислорода несколько процентов. Одновременно с работой системы 2511 откачки газа, которая в основном содержит сухой вращательный насос или турбомолекулярный насос высокого давления, устанавливают постоянное значение давления разреженного газа во второй реакционной камере 2508 в диапазоне 0,1-10 тoрp. Когда импульс лазерного излучения из источника 2514 второго лазерного импульса падает на поверхность мишени 2513 SnO₂, размещенной на подставке 2512 второй мишени, которая имеет вращательный механизм, то имеет место явление лазерной абляции на поверхности мишени 2513 SnO₂ при этом ионы или нейтроны (молекулы, группы частиц) SnO₂ десорбируются и инжектируются в основном в направлении, перпендикулярном к мишени, с кинетической энергией порядка 50 эВ для ионов или 5 эВ для нейтронов при сохранении размера молекулярного или группового уровня. Обеспечив подачу среды газа кислорода, в это время инжектируемый материал превращается в молекулы SnO₂ или группу, имеющие единичные молекулы, которые поддерживаются в метастабильном состоянии и стехиометрическом составе.

Кроме того, подложку 2516 для напыления размещают в вакуумной реакционной камере 2515, которая обезгаживается приблизительно до глубокого вакуума с давлением 1,010^-5 тoрp при помощи системы 2517 откачки воздуха и получения

глубокого вакуума, которая в основном содержит турбомолекулярный насос. Благодаря разности давления между вакуумной реакционной камерой 2515 и первой реакционной камерой 2501 сверхмелкозернистые частицы Si, полученные в первой реакционной камере 2501, инжектируются через первое сопло 2518 и первый пеноотделитель 2519 в вакуумную реакционную камеру 2515 для дальнейшего напыления на подложку 2516.

Также благодаря разности давления между вакуумной реакционной камерой 2515 и второй реакционной камерой 2508 молекулы или группа SnO₂, которые получаются во второй реакционной камере 2508, вводятся в вакуумную реакционную камеру 2515 через второе сопло 2520 и второй пеноотделитель 2521 для дальнейшего напыления на подложку 2516 в качестве однородной тонкой пленки.

Поэтому с помощью одновременной лазерной абляции Si и SnO₂ можно получить тонкий SnO₂ (прозрачный проводник) с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами Si на подложке 2516 для напыления. Кроме того, так как активный кислород, предназначенный для приготовления проводящей тонкой пленки существует только во второй реакционной камере 2508 согласно настоящему варианту осуществления, то сверхмелкозернистые частицы Si, очень чувствительные к окислению, можно диспергировать в проводящую тонкую пленку без облучения в среде активного кислорода.

Упаковочный множитель напыленных сверхмелкозернистых частиц управляется с помощью лазерной мощности на мишени во время лазерной абляции и с повторением частоты. С другой стороны, он управляется при помощи регулировки форм сопл и пеноотделителей и разностного давления между вакуумной реакционной камерой и каждой реакционной камерой.

Различие между использованием Ar и использованием Не в качестве среды разреженного газа заключается в том, что давление Ar следует устанавливать от 0,1 до 0,2 раза от давления Не, взятого в качестве контрольного.

Поверхность сверхмелкозернистых частиц Si непосредственно после напыления имеет кристаллические дефекты или примеси, перемешивающиеся благодаря разрушению, вызванному высокой энергией частиц или излучения. Чтобы устранить такой нежелательный поверхностный слой сверхмелкозернистых частиц Si с высокой степенью кристаллизации и беспримесностью, представляется эффективным подвергнуть воздействию сверхмелкозернистые частицы Si окислению в среде кислорода или тепловой обработке. Для этой операции обработки поверхности подходят следующие схемы, соответствующие комбинации сверхмелкозернистых частиц и прозрачной среды, которые обсуждались в части первого варианта осуществления с использованием табл. 1.

Во-первых, в случае комбинаций А (табл. 1), то есть, когда стандартная энтальпия образования прозрачной среды ниже, чем у окиси сверхмелкозернистых частиц, окисление с помощью кислорода в прозрачной среде не происходит достаточно просто, когда сверхмелкозернистые частицы диспергируются в прозрачную среду для того, чтобы прозрачная тонкая пленка с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами подвергалась тепловой обработке после напыления. Характерно, что после завершения напыления вакуумную реакционную камеру 2515 временно откачивают до состояния глубокого вакуума, после чего вводят газ азот для образования азотной среды. Затем прозрачную тонкую пленку с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами на подложке 2516 для напыления нагревают. В этой операции тепловой обработки температуру устанавливают от 0,5 до 0,8 разa от точки плавления (абсолютная температура) сверхмелкозернистых частиц и ниже, чем температура плавления прозрачной среды. Кроме того, желательно, чтобы температура плавления прозрачной среды была выше, чем у сверхмелкозернистых частиц. Например, точка плавления Si составляет 1414^oC и точка плавления SnO₂ - 1127^oC, так что температуру в операции тепловой обработки устанавливают в диапазоне от 600 до 1000^oC. Операция обработки поверхности в этой среде азота позволяет устранить нежелательный поверхностный слой и позволяет получить сверхмелкозернистые частицы с высокой степенью кристаллизации и чистотой. Хотя тепловая обработка осуществляется в среде газа азота, ее можно выполнить в среде газа кислорода или подобной среде. В этом случае окисную пленку можно сформировать на поверхности сверхмелкозернистых частиц.

В случае комбинаций В (табл. 2), как в настоящем варианте осуществления, когда сверхмелкозернистые частицы диспергируются в прозрачную среду, они окисляются с помощью кислорода в прозрачной среде. Поэтому перед диспергированием сверхмелкозернистых частиц Si в прозрачную среду их следует покрыть окисной пленкой. Характерно, что в это время выполнения вышеупомянутой лазерной абляции Si и SnO₂ газ кислород необходимо вводить в вакуумную реакционную камеру 2415. Давление необходимо устанавливать так, чтобы обеспечить разность давления между реакционной камерой и второй реакционной камерой, например, на уровне 10² тoрp или менее. Когда сверхмелкозернистые частицы Si, полученные в первой реакционной камере 2501, вводят в вакуумную реакционную камеру 2515 через первое сопло 2518, они находятся в контакте с молекулами кислорода в вакуумной реакционной камере, ускоряя при этом окисление поверхности. Тем не менее состав кислорода напыленной тонкой пленки SnO₂ не уменьшается при этом смешивании газа кислорода, и поддерживается стехиометрический состав. В операции обработки поверхности в этой среде кислорода необходимо устранить нежелательный поверхностный слой и получить сверхмелкозернистые частицы, имеющие превосходную кристаллическую структуру и чистоту.

Согласно настоящему варианту осуществления, как описано выше, можно получить тонкую пленку SnO₂ с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами Si, таким образом устраняя пористую конфигурацию. Поэтому можно подготовить тонкую пленку, содержащую сверхмелкозернистые частицы, которые можно использовать в соединительных электродах для выполнения устройства, и можно эффективно осуществить квантовый эффект размера.

Кроме того, нежелательный поверхностный слой можно устранить при обработке поверхности сверхмелкозернистых частиц для того, чтобы получить сверхмелкозернистые частицы, имеющие превосходную кристаллическую структуру и чистоту.

Хотя в предшествующем описании обсуждался способ изготовления оптоэлектронного материала, содержащего сверхмелкозернистые частицы Si, диспергированные в тонкой пленке SnO₂, одиночное вещество или смешанный кристалл другого типа или с другим отношением состава, можно, конечно, использовать также в качестве оптоэлектронного материала и диэлектрическую тонкую пленку SiO₂ или подобную в качестве материала прозрачной среды, в которой будут диспергироваться сверхмелкозернистые частицы, вместо прозрачной проводящей тонкой пленки.

Сверхмелкозернистые частицы Si, полученные в первой реакционной камере, непосредственно напыляются на подложку через первое сопло в предшествующем описании, в котором распределение размера частиц сверхмелкозернистых частиц Si становится шире. В этом отношении сверхмелкозернистые частицы с согласованными размерами частиц можно нанести с использованием способа управления размером сверхмелкозернистых частиц, который объяснялся в части тринадцатого варианта осуществления со ссылками на фиг. 24 в операции изготовления оптоэлектронного материала этого изобретения.

Пятнадцатый вариант осуществления.

Другой способ изготовления оптоэлектронного материала согласно настоящему изобретению будет подробно описан ниже в качестве пятнадцатого варианта осуществления со ссылками на фиг. 26 и 27. Будет приведено описание способа изготовления оптоэлектронного материала, содержащего диэлектрическую тонкую пленку в основном с помощью сверхмелкозернистых частиц группы IV, которые диспергируются согласно настоящему варианту осуществления. Этот вариант осуществления имеет операцию одновременного осуществления напыления сверхмелкозернистых частиц смешанного кристалла группы IV и напыления диэлектрического материала на ту же самую подложку для диспергирования сверхмелкозернистых частиц смешанного кристалла группы IV в диэлектрическую тонкую пленку. Напыление с адгезией сверхмелкозернистых частиц смешанного кристалла группы IV при помощи лазерной абляции и напыление диэлектрической тонкой пленки при помощи распыления выполняются одновременно на той же самой подложке.

На фиг. 26 и 27 показаны упрощенные схемы устройств согласно настоящему варианту осуществления. На фиг. 26 показана структура гибридного катода 261, полученного при помощи абляции распыления, которая используется в настоящем варианте осуществления. На фиг. 26 показано, что смешанная мишень 262 группы IV (Si-Ge) дискообразной формы для лазерной абляции размещена в центре, а мишень 263 диэлектрического материала (SiO₂) для напыления установлена концентрически вокруг мишени 262. Смешанная мишень 262 группы IV (Si-Ge) является такой же, как и мишень в тринадцатом варианте осуществления настоящего изобретения.

Дно мишени 263 диэлектрического материала подсоединяется к источнику питания 264 RF (высокой частоты) (13,56 МГц, 1,0 кВт), а структура 267 магнетрона с постоянным магнитом выполнена под мишенью 263 диэлектрического материала для того, чтобы улучшить плотность плазмы вблизи мишени 263 диэлектрического материала и повысить скорость распыления.

Анодное кольцо 265 выполнено правильной формы для того, чтобы предотвратить поперечное загрязнение, вызванное от распыления на поверхность смешанной мишени 262 группы IV в течение лазерной абляции или других нежелательных частей.

Хотя дно смешанной мишени 262 группы IV и дно мишени 263 диэлектрического материала охлаждается водой для предотвращения перегревания, для повышения эффективности охлаждения предусмотрена пластина 266 упаковки.

Фиг. 27 изображает упрощенную схему устройства композиционного напыления, которое предназначено для получения слоя оптоэлектронного материала, имеющего сверхмелкозернистые частицы смешанного кристалла группы IV, которые диспергированы в диэлектрической тонкой пленке.

Изображенную на фиг. 27 вакуумную реакционную камеру 2701, изготовленную полностью из металла, сначала обезгаживают до глубокого вакуума 1,010⁷ Па при помощи системы 2702 откачки и получения глубокого вакуума, которая в основном содержит турбомолекулярный насос. Затем систему 2702 откачки и получения глубокого вакуума перекрывают клапаном, после чего газ Ar или Не вводят через линию 2704 подачи разреженного газа через контроллер 2703 потока массы. Одновременно с работой системы 2705 дифференциальной откачки, которая в основном содержит сухой вращательный насос или турбомолекулярный насос высокого давления, давление разреженного газа в вакуумной реакционной камере 2701 устанавливают на постоянное значение в диапазоне от 10,0 мторр до 10,0 тopр.

В этом случае пучок эксимерного лазера ArF, поступающий из источника 2707 эксимерного лазера, подается через входное световое окно 2706 на поверхность мишени 262 Si-Ge, которая размещена в центре гибридного катода 261. Поэтому на поверхности мишени 262 Si-Ge имеет место явление лазерной абляции, при этом ионы и нейтроны (атомы, группы частиц) Si и Ge десорбируются и инжектируются в основном в направлении перпендикулярном к мишени с начальной кинетической энергией порядка 50 эВ для ионов или 5 эВ для нейтронов. Кинетическая энергия десорбированного материала рассеивается в окружающих атомах газа и, таким образом, ускоряет ассоциацию и рост в воздушной среде. Поэтому материал растет, так как сверхмелкозернистые частицы с размером частиц несколько нанометров за это время достигают этого и собираются на подложке 2708 для напыления, которая позиционируется перпендикулярно над центром мишени 226 частиц Si-Ge.

Операция лазерной абляции в среде разреженного газа в основном является той же самой, как и операция, обсужденная со ссылкой на фиг. 22. Упаковочным множителем напыленных сверхмелкозернистых частиц управляют с помощью мощности лазерного излучения, которое облучает мишень во время лазерной абляции, и с помощью частоты повторения лазерного излучения.

Мощность высокой частоты прикладывается к мишени 263 SiO₂ в среде разреженного газа, в это же самое время выполняют напыление SiO₂ с помощью распыления.

Вышеупомянутое одновременное напыление при помощи абляции (Si-Ge) и распыления (SiO₂) позволяет получить тонкую пленку SnO₂ (диэлектрическую пленку) с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами смешанных кристаллов Si-Ge (группы IV) на подложке 2708 для напыления.

После завершения напыления из вакуумной реакционной камеры 2701 временно откачивают воздух до состояния глубокого вакуума, после чего вводят газ кислород через линию 2709 подачи кислорода для формирования кислородной среды. Затем инфракрасное излучение (некогерентное излучение) из устройства 2710 излучения и нагревания, которое содержит галогенную лампу 2710, выполненную с задней стороны подложки 2708 для напыления и однородный рефлектор 2710b, падает на подложку 2708 для напыления и нагревает тонкую пленку SiO₂ с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами смешанного кристалла Si-Ge на подложке 2708 для напыления. В этом случае прозрачный материал наподобие кварца используют для держателя 2711 подложки. Эта тепловая обработка проводится в среде кислорода, при этом поверхность сверхмелкозернистых частиц смешанного кристалла группы IV может окисляться при температуре, которую устанавливают в диапазоне от 600 до 900^oC.

Поверхность сверхмелкозернистых частиц смешанного кристалла группы IV непосредственно после напыления имеет кристаллические дефекты или примеси, которые смешиваются благодаря разрушению, которое возникает под воздействием высокой энергией частиц или излучения. Нежелательный слой поверхности необходимо устранять при помощи операции окисления поверхности в среде кислорода для получения сверхмелкозернистых частиц смешанного кристалла группы IV, обладающих превосходной кристаллической структурой и чистотой.

Поскольку поверхности сверхмелкозернистых частиц во время пролета в воздухе являются активными, то они находятся в контакте с молекулами кислорода, ускоряя окисление поверхности. Состав кислорода напыленной тонкой пленки SnO₂ не уменьшают при помощи этого смешивания газа кислорода, и тем самым поддерживают стехиометрический состав. Подходящим является смешивание кислорода в газе Ar при отношении смешивания порядка 1,0%.

Согласно настоящему варианту осуществления, как описано выше, можно получить тонкую пленку SnO₂ с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами смешанного кристалла Si-Ge и, таким образом, устранить пористую конфигурацию. Поэтому можно подготовить тонкую пленку, содержащую сверхмелкозернистые частицы, которые пригодны для подсоединения электродов, необходимых для выполнения устройства, и можно эффективно осуществить квантовый эффект размера.

Различие между использованием Ar и использованием Не в качестве среды разреженного газа заключается в том, что давление Ar необходимо устанавливать от 0,1 до 1,0 разa от давления Не, которое выбрано как контрольное. При рассмотрении согласования с известным напылением с помощью распыления, действительно, подходящим является то, что устанавливают давления Ar в диапазоне приблизительно 0,01-0,1 тopр.

Операция окисления поверхности при помощи нагревания в среде газа кислорода при одновременном напылении позволяет устранить нежелательный поверхностный слой и получить сверхмелкозернистые частицы смешанного кристалла группы IV, имеющие превосходную кристаллическую структуру и чистоту.

Одиночную подложку или смешанный кристалл другого вида или отношение состава можно, конечно, использовать в качестве полупроводникового материала как в тринадцатом или четырнадцатом вариантах осуществления, так и в качестве диэлектрического материала, а также можно также использовать другой материал наподобие окиси алюминия (Al₂O₃). Al₂O₃ используют потому, что она в меньшей степени подвергается влиянию (которое в основном означает, что избыточный кислород окисляет полупроводник группы IV) отклонения от стехиометрического состава окиси алюминия на сверхмелкозернистых частицах смешанного кристалла группы IV по сравнению со случаем SiO₂.

Согласно настоящему изобретению, как следует из вышесказанного, сверхмелкозернистые частицы диспергируются в среду, которая имеет управляемую проводимость или диэлектрическую постоянную и является по существу однородной, поэтому можно эффективно выполнить и управлять инжекцией носителей в сверхмелкозернистых частицах или квантовым эффектом удержания носителей в сверхмелкозернистых частицах, и, таким образом, реализовать светоизлучающее устройство и фотодетектор, излучением света которого и характеристиками приема, а также длиной волны можно управлять, и которые имеют высокую эффективность приема и излучения света.

Благодаря периодической структуре, в которой слои с диспергированными сверхмелкозернистыми частицами, использующие такой оптоэлектронный материал, и слои с прозрачной средой поочередно расположены один над другим, можно выполнить оптоэлектронный материал, имеющий такую характеристику, которая позволяет повысить интенсивность специфического диапазона длин волн в непрерывном спектре, который излучается или генерируется с помощью сверхмелкозернистых частиц, и, таким образом, можно реализовать светоизлучающее устройство, фотодетектор и т.д., в которых можно управлять энергией фотонов принимаемого или излучаемого света.

Кроме того, обеспечение активного слоя, использующего оптоэлектронный материал и слой с высоким отражением, и слой с частичным отражением, расположенный поочередно с активным слоем, позволяет выполнить оптоэлектронный материал, и следовательно, светоизлучающее устройство, фотодетектор и подобные устройства, которые позволяют сузить диапазон длин волн принимаемого или излучаемого света и увеличить интенсивность излучения.

Более того, выполнив пару электродов, которые расположены на и под слоем оптоэлектронного материала, содержащего такой оптоэлектронный материал, и по меньшей мере один из которых находится в непосредственном контакте с ним, электрическим соединением между электродами слоя оптоэлектронного материала можно правильно управлять и можно получить светоизлучающее устройство, фотодетектор и т.д., которые имеют высокую эмиссию света и эффективность приема.

Если такой оптоэлектронный материал особенно адаптирован под детектор ультрафиолетового излучения или подобный, то светофильтр или подобный элемент становится необязательным.

Использование упомянутого устройства отображения позволяет выполнить портативное устройство отображения, которое подходит для уменьшения размера и веса и имеет низкие потери мощности и высокое разрешение, и подходит для применения в качестве HMD или электронного словаря.

Кроме того, вышеупомянутый оптоэлектронный материал, светоизлучающее устройство, фотодетектор и подобные устройства согласно настоящему изобретению используют материал, количество которого неограниченно и который свободен от загрязнения окружающей среды, и имеет превосходные преимущества при согласовании с технологией Si-LSI, высокую стойкость к воздействиям окружающей среды, компоновку, не требующую сборки, и который можно адаптировать к различным видам мультимедийных адаптивных устройств.

Согласно способу изготовления вышеупомянутого оптоэлектронного материала операцию лазерной абляции для первой мишени выполняют в среде разреженного газа, гарантированно получая напыление сверхмелкозернистых частиц на подложку с размером частиц, которые управляются на уровне нанометра, и можно выполнить управление средним размером частиц и управление отношением состава смешанного кристалла, таким образом обеспечивая регулировку излучением света и приемными характеристиками с большой степенью свободы.

Кроме того, подходящим является выполнение операции испарения второго материала мишени. Соответственно материал, полученный в операции испарения собирается на подложке для напыления по существу в то же самое время, как и сверхмелкозернистые частицы, полученные при помощи конденсации и роста материала, который десорбируется и инжектируется в операции абляции, собирают в воздушной среде на подложке для напыления для того, чтобы действительно можно было получить оптоэлектронный материал, имеющий сверхмелкозернистые частицы, диспергированные в однородную среду, которая содержит второй материал мишени.

Настоящее изобретение имеет превосходные характеристики согласования с кремниевой технологией (Si)-LSI, самоизлучение света, быстрое срабатывание, миниатюризацию пикселей, низкие потери мощности, высокую стойкость к воздействиям окружающей среды и процесс, не требующий сборки, и возможность адаптирования к различным видам портативных оконечных устройств и других устройств отображения.